JP4233660B2 - ３次元画像撮影装置および方法ならびに３次元画像表示装置および方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
本発明は、空間に物体の３次元画像を表示するために必要な画像情報を得るための３次元画像撮影装置および方法、ならびに同一物体に対する観察方向の異なる複数の２次元画像情報を、それぞれ観察方向に対応した方向に投射することにより、空間に物体の３次元画像を表示する３次元画像表示装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光技術の進展に伴って、立体画像を表示する技術について様々な提案がなされている。その一つに、例えばアイマックスシアター（商標名）のように、左眼用画像と右眼用画像とを重ね合わせた画像を専用の眼鏡を装着して見ることで立体的な表現を可能とする２眼式の立体ビュア装置がある。この装置では、左右の眼の視差を利用したステレオグラムにより立体的表現を可能としている。
【０００３】
また、レーザ等のコヒーレントな光（可干渉光）を用いたホログラフィ技術による立体表示も行われている。この技術は、予め物体光と参照光とを用いて乾板等にホログラフィを形成しておき、このホログラフィに元の参照光を照射することで再生光を得て立体的な画像表示を行おうとするものである。
【０００４】
また、専用の眼鏡を必要としない立体画像表示技術としては、いわゆるＩＰ(Integral Photography)法や、パララックス法等がある。
【０００５】
ＩＰ法は、リップマンが提案したもので、まず、多数の小さな凸レンズ群からなるフライアイレンズと呼ばれるレンズ板の焦点面に写真乾板を配置して、このレンズ板を介して物体光を露光することにより写真乾板上に多数の小さな物体像を記録したのち、この写真乾板を現像し、それを前と全く同じ位置に置いて背面から光を照射するようにしたものである。
【０００６】
パララックス法は、左右各眼に対応する短冊状の画像の前に配置した縦格子状のアパーチャを通して、短冊状の画像を分離して観察する方法である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のうち、上記の立体ビュア装置においては、専用の眼鏡を装着しなければならないので観る者にとって不便であると共に、不自然な画像であるため疲れやすく、長時間の鑑賞には適さない。
【０００８】
また、上記したホログラフィ技術による立体表示技術は、レーザ等のコヒーレント光を必要とするため、装置が大掛かりとなって製作コストも高くなり、また、レーザ特有のスペックル干渉パターンによる画質低下も生ずる。また、ホログラフィ技術は、予め写真乾板上に作成したホログラフィを用いて立体表示を行うものであるため、静止画には適するものの、動画の３次元表示には適していない。このことは、上記したＩＰ法においても同様であり、予め写真乾板上に多数の小さな物体像を記録する工程が必要であることから動画には適していない。
【０００９】
また、専用の眼鏡を必要としないパララックス法は、あくまで左右の眼の視差を利用した擬似的な立体表示を行うものであって、真の意味での３次元表示を可能とするものではない。このため、画面の左右方向の立体感は表示できるものの、上下方向の立体感は表現できず、例えば寝転んで見ることはできなかった。また、視差利用技術であることから、視点を変えても単に同じ画像が立体感（奥行感）をもって見えるにすぎず、頭を左右に振っても物体の側面が見えるわけではなかった。
【００１０】
また、パララックス法を実現するには、物体を、複数のカメラによって、異なる方向から撮影し、各カメラによって撮影されて得られたフィルムを現像後、各フィルムを複数の画像投射機（プロジェクタ）によって、アパーチャを通して印画紙に焼き付けることによって短冊状の画像を形成する必要がある。従って、パララックス法を実現するには、大掛かりな装置が必要になる。
【００１１】
以上のことから、従来の技術では、真の意味での立体動画表示を、簡単な構成で実現することが困難であった。
【００１２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、真の意味での立体動画表示を簡単な構成で実現できるようにした３次元画像撮影装置および方法ならびに３次元画像表示装置および方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の３次元画像撮影装置は、空間に物体の３次元画像を表示するために必要な画像情報を得るための３次元画像撮影装置であって、物体を撮影して、物体の２次元画像情報を生成する撮影手段と、撮影手段に対して、２次元画像情報の画素毎に異なる撮影方向を設定可能な撮影方向設定手段と、撮影方向設定手段を制御して、撮影方向設定手段によって設定された全ての撮影方向について、それぞれ、撮影手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報を得ると共に、各撮影方向が割り当てられる画素を変えながら、低解像度の２次元画像情報を生成する処理を繰り返し実行して、設定された全ての撮影方向について、それぞれ、撮影手段の解像度と同じ解像度の２次元画像情報を得る撮影制御手段とを備えたものである。
【００１４】
この３次元画像撮影装置では、撮影手段によって物体の２次元画像情報が生成される。また、撮影制御手段によって、撮影方向設定手段が制御されて、設定された全ての撮影方向について、それぞれ、撮影手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報が得られると共に、各撮影方向が割り当てられる画素を変えながら、低解像度の２次元画像情報を生成する処理が繰り返し実行されて、設定された全ての撮影方向について、それぞれ、撮影手段の解像度と同じ解像度の２次元画像情報が得られる。
【００１５】
また、本発明の３次元画像撮影装置では、撮影制御手段は、例えば、２次元画像の領域を、それぞれＡ画素（Ａは２以上の整数）からなる複数の小領域に分割し、設定された全ての撮影方向を、それぞれ、小領域内の一つの画素に対して設定して、解像度が撮影手段の解像度のＡ分の１となる低解像度の２次元画像情報を得ると共に、各撮影方向が割り当てられる画素を小領域内で変えながら、低解像度の２次元画像情報を生成する処理をＡ回繰り返し実行して、撮影手段の解像度と同じ解像度の２次元画像情報を得る。この場合、撮影制御手段は、例えば、設定された全ての撮影方向を、それぞれＡ個ずつの撮影方向に分割し、Ａ個の撮影方向についての低解像度の２次元画像情報を得る処理を繰り返し実行することによって、設定された全ての撮影方向について、低解像度の２次元画像情報を得る。
【００１６】
また、本発明の３次元画像撮影装置では、撮影方向設定手段は、例えば、物体と撮影手段との間に配置され、入射する光の方向を選択して光を偏向させる偏向手段を有するものでもよい。
【００１７】
本発明の３次元画像撮影方法は、物体を撮影して、物体の２次元画像情報を生成する撮影手段と、撮影手段に対して、２次元画像情報の画素毎に異なる撮影方向を設定可能な撮影方向設定手段とを用いて、空間に物体の３次元画像を表示するために必要な画像情報を得るための３次元画像撮影方法であって、撮影方向設定手段を制御して、撮影方向設定手段によって設定された全ての撮影方向について、それぞれ、撮影手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報を得る第１の手順と、各撮影方向が割り当てられる画素を変えながら、第１の手順を繰り返し実行して、設定された全ての撮影方向について、それぞれ、撮影手段の解像度と同じ解像度の２次元画像情報を得る第２の手順とを含むものである。
【００１８】
この３次元画像撮影方法では、第１の手順において、撮影方向設定手段が制御され、設定された全ての撮影方向について、それぞれ、撮影手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報が得られる。また、第２の手順において、各撮影方向が割り当てられる画素を変えながら、第１の手順が繰り返し実行されて、設定された全ての撮影方向について、それぞれ、撮影手段の解像度と同じ解像度の２次元画像情報が得られる。
【００１９】
また、本発明の３次元画像撮影方法では、例えば、第１の手順は、２次元画像の領域を、それぞれＡ画素（Ａは２以上の整数）からなる複数の小領域に分割し、設定された全ての撮影方向を、それぞれ、小領域内の一つの画素に対して設定して、解像度が撮影手段の解像度のＡ分の１となる低解像度の２次元画像情報を得て、第２の手順は、各撮影方向が割り当てられる画素を小領域内で変えながら、第１の手順をＡ回繰り返し実行して、撮影手段の解像度と同じ解像度の２次元画像情報を得る。この場合、第１の手順は、例えば、設定された全ての撮影方向を、それぞれＡ個ずつの撮影方向に分割し、Ａ個の撮影方向についての低解像度の２次元画像情報を得る処理を繰り返し実行することによって、設定された全ての撮影方向について、低解像度の２次元画像情報を得る。
【００２０】
本発明の３次元画像表示装置は、同一物体に対する観察方向の異なる複数の２次元画像情報を、それぞれ観察方向に対応した方向に投射することにより、空間に物体の３次元画像を表示する３次元画像表示装置であって、物体の２次元画像情報を投射する投射手段と、投射手段に対して、２次元画像情報の画素毎に異なる投射方向を設定可能な投射方向設定手段と、投射方向設定手段を制御して、前記投射方向設定手段によって設定された全ての投射方向について、それぞれ、投射手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報を投射して、低解像度の３次元画像を表示すると共に、各投射方向が割り当てられる画素を変えながら、低解像度の２次元画像情報を投射する処理を繰り返し実行して、投射手段の解像度と同じ解像度の３次元画像を表示する表示制御手段とを備えたものである。
【００２１】
この３次元画像表示装置では、投射手段によって、物体の２次元画像情報が投射される。また、表示制御手段によって、投射方向設定手段が制御され、設定された全ての投射方向について、それぞれ、投射手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報が投射されて、低解像度の３次元画像が表示されると共に、各投射方向が割り当てられる画素を変えながら、低解像度の２次元画像情報を投射する処理を繰り返し実行することによって、投射手段の解像度と同じ解像度の３次元画像が表示される。
【００２２】
また、本発明の３次元画像表示装置では、例えば、表示制御手段は、２次元画像の領域を、それぞれＡ画素（Ａは２以上の整数）からなる複数の小領域に分割し、設定された全ての投射方向を、それぞれ、小領域内の一つの画素に対して設定して、解像度が投射手段の解像度のＡ分の１となる低解像度の２次元画像情報を投射して、低解像度の３次元画像を表示すると共に、各投射方向が割り当てられる画素を小領域内で変えながら、低解像度の２次元画像情報を投射する処理をＡ回繰り返し実行して、投射手段の解像度と同じ解像度の３次元画像を表示する。この場合、表示制御手段は、例えば、設定された全ての投射方向を、それぞれＡ個ずつの投射方向に分割し、Ａ個の投射方向について低解像度の２次元画像情報を投射する処理を繰り返し実行することによって、設定された全ての投射方向について、低解像度の２次元画像情報を投射する。
【００２３】
また、本発明の３次元画像表示装置では、投射方向設定手段は、例えば、出射する光の方向を選択して光を偏向させる偏向手段を有するものでもよい。
【００２４】
本発明の３次元画像表示方法は、物体の２次元画像情報を投射する投射手段と、投射手段に対して、２次元画像情報の画素毎に異なる投射方向を設定可能な投射方向設定手段とを用いて、同一物体に対する観察方向の異なる複数の２次元画像情報を、それぞれ観察方向に対応した方向に投射することにより、空間に物体の３次元画像を表示する３次元画像表示方法であって、投射方向設定手段を制御して、投射方向設定手段によって設定された全ての投射方向について、それぞれ、投射手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報を投射して、低解像度の３次元画像を表示する第１の手順と、各投射方向が割り当てられる画素を変えながら、第１の手順を繰り返し実行して、投射手段の解像度と同じ解像度の３次元画像を表示する第２の手順とを含むものである。
【００２５】
この３次元画像表示方法では、第１の手順において、投射方向設定手段が制御され、設定された全ての投射方向について、それぞれ、投射手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報が投射されて、低解像度の３次元画像が表示される。また、第２の手順において、各投射方向が割り当てられる画素を変えながら、第１の手順が繰り返し実行されて、投射手段の解像度と同じ解像度の３次元画像が表示される。
【００２６】
また、本発明の３次元画像表示方法では、例えば、第１の手順は、２次元画像の領域を、それぞれＡ画素（Ａは２以上の整数）からなる複数の小領域に分割し、設定された全ての投射方向を、それぞれ、小領域内の一つの画素に対して設定して、解像度が投射手段の解像度のＡ分の１となる低解像度の２次元画像情報を投射して、低解像度の３次元画像を表示し、第２の手順は、各投射方向が割り当てられる画素を小領域内で変えながら、低解像度の２次元画像情報を投射する処理をＡ回繰り返し実行して、投射手段の解像度と同じ解像度の３次元画像を表示する。この場合、第１の手順は、例えば、設定された全ての投射方向を、それぞれＡ個ずつの投射方向に分割し、Ａ個の投射方向について低解像度の２次元画像情報を投射する処理を繰り返し実行することによって、設定された全ての投射方向について、低解像度の２次元画像情報を投射する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る３次元画像撮影装置および方法ならびに３次元画像表示装置および方法について図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】
始めに、図１ないし図１９を参照して、本発明の実施の形態の前提となる技術（以下、前提技術と言う。）について説明する。まず、図１および図２を参照して、前提技術における３次元画像の撮影と表示の原理について説明する。
【００２９】
図１は前提技術における３次元画像撮影装置の概略の構成を示す説明図である。この３次元画像撮影装置は、入射する光の方向と出射する光の方向とを所定の角度範囲内で選択することの可能な偏向板１１と、この偏向板１１の一方の面に対向するように配置された集光レンズ１２と、この集光レンズ１２における偏向板１１とは反対側に順に配置されたピンホール部材１３、集光レンズ１４およびＣＣＤ（電荷結合素子）１５とを備えている。ピンホール部材１３は、光を通過させるピンホールを有している。
【００３０】
この３次元画像撮影装置では、偏向板１１における集光レンズ１２とは反対側の面が、撮影対象物としての物体１０に向けられるようになっている。偏向板１１は、本発明における撮影方向設定手段に対応する。集光レンズ１２は、偏向板１１側より垂直に平行光が入射したときに、出射光がピンホール部材１３のピンホールの位置で最も小径となるように、光を集光するようになっている。この集光レンズ１２には、例えばフレネルレンズが用いられる。集光レンズ１４は、ピンホールを通過して拡散する光を集光して、ＣＣＤ１５の撮像面上に、物体１０の像を結像するようになっている。集光レンズ１２、ピンホール部材１３、集光レンズ１４およびＣＣＤ１５は、本発明における撮影手段に対応する。
【００３１】
ここで、図１に示した３次元画像撮影装置の作用について説明する。物体１０からの光は偏向板１１に入射する。偏向板１１は、この入射する光のうち、偏向板１１の面に対して所定の角度をなす光のみを選択的に通過させ、偏向板１１の面に対して垂直な平行光として出射する。集光レンズ１２は、偏向板１１からの平行光を集光する。この光は、ピンホール部材１３のピンホールを通過し、集光レンズ１４によって集光され、ＣＣＤ１５に入射する。ＣＣＤ１５の撮像面には、所定の方向から見た物体１０の２次元画像が結像される。この３次元画像撮影装置では、観察点１６が、偏向板１１および集光レンズ１２を挟んで物体１０に対向する位置に想定されて、撮影が行われる。偏向板１１において選択される入射光の角度は、時間と共に順次変えられる。
【００３２】
このように、図１に示した３次元画像撮影装置では、一つの撮影手段（ＣＣＤ１５等）によって物体１０が撮影されて、物体１０の２次元画像情報が生成されると共に、撮影方向が順次変化させられる。従って、ＣＣＤ１５より出力される画像情報は、時間と共に撮影方向が変化する複数の２次元画像情報となり、これは、空間に物体の３次元画像を表示するために必要な画像情報となる。
【００３３】
図２は前提技術における３次元画像表示装置の概略の構成を示す説明図である。この３次元画像表示装置は、２次元画像情報に基づいて、通過する光を空間的に変調する空間光変調器としての透過型の液晶表示素子（以下、ＬＣＤと記す。）２１と、このＬＣＤ２１の光の出射側に順に配置された集光レンズ２２、ピンホール部材２３、集光レンズ２４および偏向板２５を備えている。ピンホール部材２３は、光を通過させるピンホールを有している。
【００３４】
集光レンズ２２は、ＬＣＤ２１の出射光を、ピンホール部材２３のピンホールの位置で最も小径となるように集光するようになっている。集光レンズ２４は、ピンホールを通過した光を平行光とするようになっている。この集光レンズ２４には、例えばフレネルレンズが用いられる。偏向板２５は、集光レンズ２４からの光を、偏向板２５の面に対して所定の角度をなす平行光として出射するようになっている。ＬＣＤ２１、集光レンズ２２、ピンホール部材２３、集光レンズ２４および偏向板２５は、本発明における投射手段に対応する。偏向板２５は、本発明における投射方向設定手段に対応する。
【００３５】
ここで、図２に示した３次元画像表示装置の作用について説明する。ＬＣＤ２１は、図１に示した３次元画像撮影装置によって得られた２次元画像情報に基づいて、光を空間的に変調する。ＬＣＤ２１によって変調された光は、集光レンズ２２によって集光され、ピンホール部材２３のピンホールを通過し、集光レンズ２４によって平行光とされて、偏向板２５に入射する。偏向板２５は、集光レンズ２４からの光を、偏向板２５の面に対して所定の角度をなす平行光として出射する。偏向板２５からの出射光の角度は、撮影時における偏向板１１の入射光の角度と一致するように、時間と共に順次変えられる。
【００３６】
このように、図２に示した３次元画像表示装置では、図１に示した３次元画像撮影装置によって得られ、撮影方向が変化する２次元画像情報に基づいて、ＬＣＤ２１によって光が変調されて、２次元画像が再生される。この２次元画像は、撮影時における偏向板１１の入射光の角度と一致する角度で、偏向板２５から出射される。これにより、空間上に、物体１０の３次元画像（立体画像）２０が形成される。偏向板２５における光の出射側に位置する観察者２６は、この３次元画像２０を観察することができる。
【００３７】
なお、ＬＣＤ２１に与える２次元画像情報は、図１に示した３次元画像撮影装置によって得られた２次元画像情報を、上下方向および左右方向に反転させた２次元画像情報とする。ただし、左右方向にのみ立体的な３次元画像を表示する場合には、図１に示した３次元画像撮影装置によって得られた２次元画像情報を、左右方向に反転させた２次元画像情報を与えればよい。また、この場合には、偏向板２５の光の出射側に、上下方向に光を拡散する拡散板を設ける必要がある。この拡散板は、例えば、水平方向に延びる微小な蒲鉾型レンズを上下方向に多数並べて構成される。
【００３８】
次に、図３および図４を参照して、左右方向にのみ立体的な３次元画像を表示する場合を例にとって、前提技術における３次元画像撮影装置と３次元画像表示装置の位置関係について概念的に説明する。図３は、図１に示した３次元画像撮影装置の光学系に、図２に示した３次元画像表示装置の光学系を重ね合わせた場合の光学系を示す説明図である。図４は、図２に示した３次元画像表示装置の光学系に、図１に示した３次元画像撮影装置の光学系を重ね合わせた場合の光学系を示す説明図である。これらの図に示した光学系では、集光レンズ１２とピンホール部材１３との間に、仮想的なハーフミラー２７が配置されている。このハーフハーフミラー２７は、その反射面の法線が、３次元画像撮影装置の光学系の光軸に対して４５度をなすように配置されている。そして、集光レンズ１２からの光がハーフミラー２７で反射して進行する方向に、３次元画像表示装置のピンホール部材２３、集光レンズ２２およびＬＣＤ２１が配置されている。
【００３９】
撮影時には、ＣＣＤ１５上に物体１０の像が結像される。このとき、集光レンズ１２からの光がハーフミラー２７で反射してＬＣＤ２１に結像したとすると、ＬＣＤ２１に結像する像は、ＣＣＤ１５上に結像する像に対して左右方向に反転した像である。表示時には、この反転した像が形成されるように、ＬＣＤ２１を駆動することになる。
【００４０】
次に、図５を参照して、前提技術における３次元画像撮影装置の構成について詳しく説明する。図５は、前提技術における３次元画像撮影装置の構成を示すブロック図である。この３次元画像撮影装置は、図１に示した構成の他に、ＣＣＤ１５を駆動するＣＣＤ駆動回路３１と、ＣＣＤ１５の出力信号を処理して、画像信号を出力する信号処理回路３２と、この信号処理回路３２の出力信号を入力し、必要に応じて、後述する表示位置変換処理を行う表示位置変換回路３３と、この表示位置変換回路３３に対して、表示位置の移動量の情報を与えるための操作部３４と、表示位置変換回路３３の出力に同期信号を重畳して、映像信号として出力する出力回路３５とを備えている。３次元画像撮影装置は、更に、偏向板１１を駆動する偏向板駆動回路３６と、この偏向板駆動回路３６に対して、選択する入射光の角度の空間的および時間的なパターンの情報を与える角度パターン発生回路３７と、上記各回路の動作のタイミングを制御するタイミング制御回路３８とを備えている。
【００４１】
なお、ＣＣＤ１５は、モノクロ画像用でもよいし、カラー画像用でもよい。カラー画像用のＣＣＤ１５としては、例えば、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色フィルタを備えた単板式カラーフィルタ方式のものでもよいし、入射光をＲ，Ｇ，Ｂの各色に分離する色分離手段と分離された各光を受光する３枚のモノクロ用のＣＣＤとを含む３板式のものでもよい。
【００４２】
ここで、図５に示した３次元画像撮影装置の動作について説明する。偏向板駆動回路３６は、偏向板１１が選択する入射光の角度が、一定の周期で順次変化するように、偏向板１１を駆動する。以下の説明では、偏向板１１が選択する入射光の角度が、θ１からθ６０まで、Δθ間隔で変化するものとする。Δθは、例えば１度とする。
【００４３】
ＣＣＤ駆動回路３１は、偏向板１１が選択する入射光の各角度毎に、１枚の２次元画像情報が得られるように、偏向板駆動回路３６による偏向板１１の駆動に同期してＣＣＤ１５を駆動する。ＣＣＤ１５の出力信号は、信号処理回路３２によって処理されて画像信号とされる。この画像信号は、必要に応じて表示位置変換回路３３による表示位置変換処理が施されて、出力回路３５に送られる。そして、この出力回路３５より映像信号が出力される。なお、表示位置変換回路３３の構成と動作については、後で詳しく説明する。
【００４４】
図６は、偏向板１１が選択する入射光の角度とＣＣＤ１５が取り込む画像との対応関係を示す説明図である。この図に示したように、偏向板１１が選択する入射光の角度は、θ1 からθ60まで角度Δθ（＝１度）間隔で変化する。ＣＣＤ１５は、各角度θi （ｉ＝１，２，…，６０）毎に、撮影対象物としての物体の２次元画像を取り込む。ここで、各角度θi 毎に取り込まれた１枚の２次元画像を１フィールド分の画像と呼ぶこととする。従って、角度θ1 からθ60までの入射光の角度の走査によって、６０フィールド分の２次元画像が得られる。以下の説明では、この角度θ1 からθ60までの走査によって得られる２次元画像の集合体を、６０空間フィールド分の画像と呼ぶものとする。６０空間フィールド分の画像で一つの３次元静止画像が形成される。そのため、角度θ1 からθ60までの６０空間フィールドを１空間フレームと呼ぶものとする。また、θ1 〜θ60の各角度毎の画像取り込みは、それぞれ、タイミングｔ1 〜ｔ60において行われるものとする。
【００４５】
角度θ1 からθ60までの６０空間フィールド分の画像の取り込みが終了すると、次のタイミングｔ61〜ｔ120 においてさらに角度θ1 からθ60までの６０空間フィールド分の画像の取込みが行われる。以下同様にして、６０空間フィールド分ずつの画像の取込みが繰り返される。そして、この繰り返しを６０回行うことで、合計３６００フィールド分の画像が得られる。このとき、ある角度θi に着目すると、タイミングｔi 〜ｔ(i+60x59) において６０フィールド分の画像が得られたことになる。なお、以下の説明では、各角度θｉにおいてタイミングｔi 〜ｔ(i+60x59) で得られる２次元画像を６０時間フィールド分の画像と呼ぶものとする。
【００４６】
ここで、角度θ1 からθ60までの入射光の角度の変化および６０空間フィールド分の画像の取込みを１／６０秒の時間で行うものとすると、入射光の角度変化の周期および画像取込み周期Δｔは１／３６００秒となり、１秒間で３６００フィールド分の画像が得られることになる。
【００４７】
次に、３次元画像撮影装置における偏向板１１の構成の一例について説明する。図７は、偏向板１１に用いる液晶素子の構成を示したものである。この液晶素子４０は、高分子分散液晶(PDLC : Polymer Dispersed Liquid Crystal) または高分子・液晶複合体(Liquid Crystal Polymer Composite)と呼ばれる素子を用いて構成される。この高分子分散液晶素子は、高分子と液晶の複合体に電圧を加えて液晶分子の配列方向を電界の方向に揃え、高分子と液晶との屈折率のマッチングによる効果を利用して、見る方向によって白濁状態と透明状態とを切り換えることができる機能を有するものである。
【００４８】
液晶素子４０は、高分子材料４１中に数ミクロン以下の針状の液晶分子４２を分散させて形成した高分子・液晶複合層４３と、この高分子・液晶複合層４３の入射面および出射面に、高分子・液晶複合層４３を挟んで互いに対向すると共に紙面と直交する方向に延びるように形成された微小幅のストライプ電極４４，４５とを備えている。なお、ストライプ電極４４，４５は、上記のようにストライプの方向（電極の長手方向）が互いに平行になるように配置してもよいが、例えば、ストライプの方向を直交させた、いわゆる単純マトリクス配置としてもよい。あるいは、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）等を用いて構成されるアクティブマトリクス配置としてもよい。これらの場合には、偏向方向の制御を２方向について行うことが可能になる。
【００４９】
ストライプ電極４４，４５は、例えばＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明導電膜から形成され、図の紙面と直交する方向（縦方向）に延びている。ストライプ電極４４とストライプ電極４５との間には、所定の電圧が選択的に印加されるようになっている。図中における１Ｐｘは、１画素分の領域を表している。ストライプ電極４４，４５の配列のピッチは、６０個の角度θ1 〜θ60を実現し得る程度に、でき得る限り小さくされている。
【００５０】
液晶分子４２は、電圧が印加されていない状態では、高分子材料４１中において液晶光軸（長軸）がランダムな方向を向いている。この状態では、液晶分子４２の実効的な屈折率と高分子材料４１の屈折率とは一致せず、液晶分子４２と高分子材料４１との界面での光散乱効果によって、高分子・液晶複合層４３の全体が不透明な白色状態を呈する。一方、ストライプ電極４４，４５間に電圧が選択的に印加されると、これにより生ずる挟い電界の及ぶ範囲内において、液晶分子４２の光軸方向が電界方向と一致して揃い、液晶分子４２の見かけの屈折率は、液晶分子４２の常光線に対応する値ｎ0 となる。このため、高分子材料４１として、その屈折率がｎ0 とほぼ等しいものを用いると、液晶分子４２と高分子材料４１との界面における屈折率の差がなくなり、電界方向においては光散乱効果が弱まって高分子・液晶複合層４３が透明になる。すなわち、電界方向にのみ光が通過することとなる。
【００５１】
ここで、例えば、高分子・液晶複合層４３の厚さをＬ、ストライプ電極４４，４５の配列のピッチをｐとする。この場合、高分子・液晶複合層４３を通過する光の方向が高分子・液晶複合層４３の面の法線に対してなす角度をδｉ、そのときのストライプ電極４４，４５間の水平方向のずれ量をピッチ数で表した値をｎi 、ストライプ電極４４，４５間の水平方向のずれ量を距離で表した値をｄi とすると、
ｔａｎδi ＝ｄi ／Ｌ＝ｐ×ｎi ／Ｌ
より、所定の角度δi を得るためのストライプ電極４４，４５間の水平方向のずれピッチ数ｎi は、次の式（１）で表される。ここに、ｉ＝１，２，…，６０である。
【００５２】
ｎi ＝Ｌ×ｔａｎδi ／ｐ…（１）
【００５３】
図８は、上述の液晶素子４０を用いた偏向板１１の構成を示したものである。この図に示したように、３次元画像撮影装置における偏向板１１としては、液晶素子４０を２枚重ね合わせた構造のものが用いられる。以下、偏向板１１における入射側の液晶素子４０を符号４０Ａで表し、出射側の液晶素子４０を符号４０Ｂで表す。なお、図８では、ストライプ電極４４，４５の図示を省略している。液晶素子４０Ａ，４０Ｂ間の界面は、光散乱面になっている。
【００５４】
この偏向板１１の駆動は、以下のようにして行われる。液晶素子４０Ａでは、通過する光の角度δi が、選択する入射光の角度θ1 〜θ60となるように、ストライプ電極４４，４５に対する電圧の印加が制御される。液晶素子４０Ａを通過した光は、液晶素子４０Ａ，４０Ｂの間の光散乱面で散乱される。液晶素子４０Ｂでは、液晶素子４０Ａを通過し、光散乱面で散乱された光のうち、液晶素子４０Ｂの面に垂直な光のみが液晶素子４０Ｂを通過するように、ストライプ電極４４，４５に対する電圧の印加が制御される。これにより、図８に示したように、角度θi で入射する光のみが、偏向板１１を通過し、且つ偏向板１１の面に対して垂直に出射される。
【００５５】
図９は、入射光の角度がθ１のときの偏向板１１の動作を示したものであり、図１０は、入射光の角度がθ60のときの偏向板１１の動作を示したものである。これらの図に示したように、各液晶素子４０Ａ，４０Ｂにおけるストライプ電極４４，４５に対する電圧印加の制御は、電圧の印加される一対の電極間を結ぶ直線が偏向板１１の面に対してなす角度をθi に保ったまま、電圧の印加される一対の電極を、例えば、図中の矢印で示したように図の左方から右方へと順次シフトさせるようにして行われる。より具体的には、入射面側に配列された各ストライプ電極４５に対して次々と所定の時間間隔でパルス電圧を印加する走査（以下、電圧印加走査という。）に同期して、出射面側に配列された各ストライプ電極４４に対して次々とパルス電圧を印加する電圧印加走査が行われる。その際、入射面側の電圧が印加されるストライプ電極４５と出射面側の電圧が印加されるストライプ電極４４との間には、角度θi に対応した水平ずれ距離が保たれるように制御が行われる。このような動作は、各画素に対応した各領域で同時に行われる。
【００５６】
１つの角度θi についての電圧印加走査は、１／３６００秒の時間周期で行われる。従って、角度θ1 からθ60までのすべての角度についての電圧印加走査に要する時間は１／６０秒である。
【００５７】
高分子・液晶複合層４３は、例えば、高分子と液晶の溶液を基板上に塗布した後に溶媒を蒸発させる方法や、高分子材料のモノマーが重合して硬化する際に液晶が高分子材から析出して液晶小滴が形成されるという効果を利用する方法により形成されるが、この他の方法でも形成可能である。例えば、ポリビニルアルコール(PVA) 等の水溶液にネマティック液晶を分散して液晶小滴をマイクロカプセル化した構造のものや、液晶中に少量の高分子材料をゲル状に分散した構造のものであってもよい。なお、従来の高分子分散液晶では球状の液晶分子が用いられているが、本例のように指向性が必要とされる用途では、液晶分子の形状が上記したような針状であることが望ましい。このような針状の液晶を形成するには、例えば、均一な磁場中において液晶を析出させてマイクロカプセル化させる方法がある。この方法では、磁場方向における潮汐効果により、針状の液晶分子４２が形成される。
【００５８】
次に、図１１を参照して、前提技術における３次元画像表示装置の構成について詳しく説明する。図１１は、前提技術における３次元画像表示装置の構成を示すブロック図である。この３次元画像表示装置は、図２に示した構成の他に、ＬＣＤ２１に平行な照明光を供給する光源部５０と、映像信号を入力し、この映像信号より同期信号を分離し、映像信号と同期信号とを出力する同期分離回路５１と、この同期分離回路５１より出力される映像信号を基に、信号処理を加えて画像信号を出力する信号処理回路５２と、この信号処理回路５２の出力信号を入力し、必要に応じて、後述する表示位置変換処理を行う表示位置変換回路５３と、この表示位置変換回路５３に対して、表示位置の移動量の情報を与えるための操作部５４と、表示位置変換回路５３の出力信号に基づいて、ＬＣＤ２１を駆動するＬＣＤ駆動回路５５とを備えている。３次元画像表示装置は、更に、偏向板２５を駆動する偏向板駆動回路５６と、この偏向板駆動回路５６に対して、選択する入射光の角度の空間的および時間的なパターンの情報を与える角度パターン発生回路５７と、同期分離回路５１より出力される同期信号を入力し、この同期信号に同期して、上記各回路の動作のタイミングを制御するタイミング制御回路５８とを備えている。
【００５９】
なお、ＬＣＤ２１は、モノクロ画像を形成するものでもよいし、カラー画像を形成するものでもよい。カラー画像を形成する場合には、ＬＣＤ２１としては、例えば、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色フィルタを備えた単板式カラーフィルタ方式のものが用いられる。ＬＣＤ２１の液晶部分には、例えば、高速動作が可能な強誘電性液晶(FLC : Ferroelectric Liquod Crystal)が用いられる。また、光源部５０およびＬＣＤ２１の代わりに、白色光源と、この白色光源より出射される光をＲ，Ｇ，Ｂの各色に分離する、ダイクロイックミラーまたはダイクロイックプリズム等の色分離手段と、この色分離手段によって分離された各光を、それぞれＲ，Ｇ，Ｂ毎の画像信号に応じて空間的に変調する３枚のモノクロ用ＬＣＤと、各モノクロ用ＬＣＤによって変調されたＲ，Ｇ，Ｂの各光を合成して出射する合成手段とを設けてもよい。
【００６０】
ここで、図１１に示した３次元画像表示装置の動作について説明する。この３次元画像表示装置には、例えば図５に示した３次元画像撮影装置によって得られた映像信号が入力される。同期分離回路５１は、入力された映像信号より同期信号を分離して、映像信号と同期信号とを出力する。映像信号は、信号処理回路５２によって処理されて画像信号とされる。この画像信号は、必要に応じて表示位置変換回路５３による表示位置変換処理が施されて、ＬＣＤ駆動回路５５に送られる。そして、このＬＣＤ駆動回路５５によって、画像信号に基づいてＬＣＤ２１が駆動される。
【００６１】
光源部５０より出射された平行な照明光は、ＬＣＤ２１によって空間的に変調される。これにより、２次元画像が形成される。ＬＣＤ２１の出射光は、集光レンズ２２、ピンホール部材２３のピンホールおよび集光レンズ２４を経て、平行光束として偏向板２５に入射する。
【００６２】
偏向板駆動回路５６は、偏向板２５の出射光の角度が、一定の周期で順次変化するように、偏向板２５を駆動する。ここで、偏向板２５の出射光の角度は、ＬＣＤ２１によって形成される各２次元画像毎に、３次元画像撮影装置による撮影時における入射光の角度と一致するように制御される。このような角度の制御は、同期分離回路５１によって分離された同期信号に基づいて、タイミング制御回路５８によって行われる。
【００６３】
図１２は、ＬＣＤ２１が形成する２次元画像と偏向板２５の出射光の角度との対応関係を示す説明図である。なお、ここでは、左右方向にのみ立体的な３次元画像を表示するものとする。そのため、図１２に示したように、偏向板２５の光の出射側に、上下方向に光を拡散する拡散板２９が設けられている。図１３は、集光レンズ２４、偏向板２５および拡散板２９を示す斜視図である。この図に示したように、拡散板２９は、偏向板２５の光の出射光を、上下方向に所定の角度αで拡散するようになっている。
【００６４】
図１２に示したように、偏向板２５の出射光の角度は、θ1 からθ60まで角度Δθ（＝１度）間隔で変化する。ＬＣＤ２１は、各角度θi （ｉ＝１，２，…，６０）毎に、その角度に対応した２次元画像を形成する。従って、角度θ1 からθ60までの出射光の角度の走査によって、６０空間フィールド分の２次元画像がそれぞれ異なる方向に投影される。θ1 〜θ60の各角度毎の２次元画像の形成は、それぞれ、タイミングｔ1 〜ｔ60において行われる。
【００６５】
角度θ1 からθ60までの６０空間フィールド分の画像の形成が終了すると、次のタイミングｔ61〜ｔ120 においてさらに角度θ1 からθ60までの６０空間フィールド分の画像の形成が行われる。以下同様にして、６０空間フィールド分ずつの画像の形成が繰り返される。そして、この繰り返しを６０回行うことで、合計３６００フィールド分の２次元画像が投影される。
【００６６】
次に、３次元画像表示装置における偏向板２５の構成の一例について説明する。図１４および図１５は、偏向板２５の構成を示したものである。これらの図に示したように、偏向板２５は、１枚の液晶素子４０によって構成されている。偏向板２５の入射側の面は、光散乱面４９になっている。従って、偏向板２５に入射した光は、光散乱面４９で散乱され、そのうちの選択された方向の光のみが液晶素子４０を通過して出射される。
【００６７】
この偏向板２５では、出射光の角度が、順次θ1 〜θ60となるように、液晶素子４０のストライプ電極４４，４５に対する電圧の印加が制御される。図１４は、出射光の角度がθ１のときの偏向板２５の動作を示したものであり、図１５は、出射光の角度がθ60のときの偏向板２５の動作を示したものである。これらの図に示したように、液晶素子４０におけるストライプ電極４４，４５に対する電圧印加の制御は、電圧の印加される一対の電極間を結ぶ直線が偏向板２５の面に対してなす角度をθi に保ったまま、電圧の印加される一対の電極を、例えば、図中の矢印で示したように図の左方から右方へと順次シフトさせるようにして行われる。より具体的には、入射面側に配列された各ストライプ電極４４に対して次々と所定の時間間隔でパルス電圧を印加する電圧印加走査に同期して、出射面側に配列された各ストライプ電極４５に対して次々とパルス電圧を印加する電圧印加走査が行われる。その際、入射面側の電圧が印加されるストライプ電極４４と出射面側の電圧が印加されるストライプ電極４５との間には、角度θi に対応した水平ずれ距離が保たれるように制御が行われる。このような動作は、各画素に対応した各領域で同時に行われる。
【００６８】
１つの角度θi についての電圧印加走査は、１／３６００秒の時間周期で行われる。従って、角度θ1 からθ60までのすべての角度についての電圧印加走査に要する時間は１／６０秒である。
【００６９】
なお、液晶分子４２の配向作用はヒステリシスを有するため、電界が移動していった後でもその配向状態がある程度の時間保持される。したがって、このような配向が偏向板２５の全面にわたって行われた後に、ＬＣＤ２１に１／３６００秒周期で画像を表示させるようにすればよい。より具体的には、電圧印加走査の周期（＝１／３６００秒）に対するその実所要時間の比として定義される走査デューティ比を例えば５０％以下とし、ＬＣＤ２１の表示周期（＝１／３６００秒）に対するその実表示時間の比として定義される表示デューティ比を同じく５０％以下とすると、１／３６００秒という時間内に、１回分の電圧印加走査とＬＣＤ２１における１枚分の画像の表示とが行われることとなる。また、上記したようにストライプ電極４４，４５に代えてマトリクス電極を用いるようにした場合には、液晶分子４２の配向方向を一旦ランダムに乱した後に、１画素分の領域中の一部の液晶分子４２のみを角度θｉに配向させるようにすることにより、中間階調の表示も実現可能となる。
【００７０】
次に、図１６を参照して、前提技術における表示位置変換処理の原理について説明する。図１６は、図２と同様に、前提技術における３次元画像表示装置の概略の構成を示したものである。この図において、表示位置変換処理を行わない場合に表示される３次元画像を符号２０Ａで表し、この３次元画像２０Ａに対して前後方向に距離ａだけ表示位置を移動する表示位置変換処理を行った場合に表示される３次元画像を符号２０Ｂで表す。このような表示位置変換処理を行うには、偏向板２５より光が角度θｉで出射される２次元画像の位置を、偏向板２５上で、２次元画像情報の面内方向、すなわち水平方向にｂだけ移動すればよい。ただし、ｂは、以下の式（２）で表される値である。
【００７１】
ｂ＝ａ×ｔａｎθｉ …（２）
【００７２】
ここで、ａは、３次元画像を観察者２６に近づける場合に負の値をとり、遠ざかける場合に正の値をとるものとする。また、θｉは、偏向板２５からの出射光が図１６における左側を向く場合に負の値をとり、右側を向く場合に正の値をとるものとする。また、ｂは、偏向板２５上における２次元画像の位置を図１６における右側に移動する場合に正の値をとり、左側に移動する場合に負の値をとるものとする。
【００７３】
従って、３次元画像の表示位置の移動量ａと、偏向板２５からの出射光の角度θｉに応じて、偏向板２５に投影される２次元画像の位置をｂだけずらすことにより、３次元画像の表示位置を移動させることができる。なお、偏向板２５に投影される２次元画像の位置をｂだけずらすには、ＬＣＤ２１上における２次元画像の位置を、ｂに対して一定の比率を掛けた値、すなわちｂに比例した値だけ水平方向にずらせばよい。なお、垂直方向（縦方向）にも視野角を有する立体映像を得る場合には、垂直方向も同様の変換を行う。
【００７４】
図５における表示位置変換回路３３および図１１における表示位置変換回路５３は、上述の原理に基づいて３次元画像の表示位置を変換するために、２次元画像の位置を水平方向にずらす処理を行う。
【００７５】
図１７は、表示位置変換回路３３，５３の構成の一例を示すブロック図である。ここでは、表示位置変換回路３３，５３に入力される画像信号がディジタル信号であるものとする。表示位置変換回路３３，５３は、入力画像信号を、２次元画像単位で記憶するフレームメモリ６１と、このフレームメモリ６１の書き込みアドレスおよび読み出しアドレスを制御する書き込み・読み出しアドレス制御回路６２とを有している。書き込み・読み出しアドレス制御回路６２には、操作部３４，５４から、表示位置の移動量の情報が与えられるようになっている。また、書き込み・読み出しアドレス制御回路６２には、タイミング制御回路３８，５８よりタイミング信号が与えられるようになっている。
【００７６】
この表示位置変換回路３３，５３では、入力画像信号は、書き込み・読み出しアドレス制御回路６２の制御により、フレームメモリ６１に書き込まれた後、読み出されて、後段に出力される。ここで、書き込み・読み出しアドレス制御回路６２は、操作部３４，５４より与えられる表示位置の移動量の情報とタイミング制御回路３８，５８よりタイミング信号とに基づいて、２次元画像の位置のずれ量を求める。表示位置の移動量の情報は、式（２）における移動量ａに対応する値を提供する。タイミング信号は、式（２）における角度θｉの情報を提供する。そして、書き込み・読み出しアドレス制御回路６２は、入力画像信号によって表される２次元画像の位置に対して、出力画像信号によって表される２次元画像の位置が、求めたずれ量だけずれるように、書き込みアドレスと読み出しアドレスとを制御する。
【００７７】
なお、入力画像信号がアナログ信号の場合には、アナログ−ディジタル変換した後に、フレームメモリ６１に記憶させるようにする。
【００７８】
このような表示位置変換処理は、図５に示した３次元画像撮影装置における表示位置変換回路３３で行ってもよいし、図１１に示した３次元画像表示装置における表示位置変換回路５３で行ってもよい。従って、表示位置変換回路３３，５３の一方を省略してもよい。
【００７９】
次に、図１８および図１９を参照して、より効果的な３次元画像の撮影および表示の方法の一例を説明する。図１８は、図１と同様に３次元画像撮影装置の概略の構成を示し、図１９は、図２と同様に３次元画像表示装置の概略の構成を示している。図１８では、撮影対象物としての物体１０の後側に、ミラー７０を配置している。この場合、ミラー７０には、物体１０の後側の面が映し出される。３次元画像撮影装置によって、これら物体１０およびミラー７０を撮影し、得られた２次元画像情報を３次元画像表示装置に与えて３次元画像を表示させると、図１９に示したように、観察者２６から見て、物体１０の３次元画像２０の後側に、ミラー７０の３次元画像７１が表示される。そして、このミラー７０の３次元画像７１には、物体１０の後側の面の像が映し出される。観察する方向によって物体１０の３次元画像２０の見え方が変化するように、観察する方向によって、ミラー７０の３次元画像７１において映し出される物体１０の後側の面の像の見え方も変化する。従って、ミラー７０を設けない場合に比べて、より立体感の増した３次元画像の表示を実現することができる。
【００８０】
更に、表示位置変換処理によって、ミラー７０の３次元画像７１における鏡面の位置が、偏向板２５の表面の位置と一致するように、３次元画像の表示位置の変換を行えば、偏向板２５の表面が鏡面のように見え、より効果的である。
【００８１】
次に、本発明の第１の実施の形態について詳しく説明する。本実施の形態では、３次元画像の撮影時には、画素毎に異なる撮影方向を設定して１枚の２次元画像情報を生成すると共に、各画素毎の撮影方向を順次変化させて、連続的に２次元画像情報を生成する。また、本実施の形態では、３次元画像の表示時には、上述のようにして得られた連続的な２次元画像情報を、各画素毎に、撮影時における撮影方向に対応した方向に投射することによって、３次元画像を形成する。
【００８２】
始めに、図２０ないし図２５を参照して、本実施の形態における画素毎の撮影方向および投射方向を表すフォーマットについて説明する。なお、以下の説明では、水平方向Ｎ画素、垂直方向Ｍ画素の２次元画像を、Ｎ×Ｍ画素の２次元画像と表現する。本実施の形態では、３次元画像撮影装置における２次元画像情報の撮影手段の解像度および３次元画像表示装置における２次元画像情報の投射手段の解像度が６４０×４８０画素であり、すなわち、２次元画像が６４０×４８０画素で構成されるものとする。撮影方向および投射方向は、θ１〜θ60の６０方向とする。なお、図２０ないし図２５において、図中の数字１〜６０は、それぞれ方向θ１〜θ60を表している。また、本実施の形態では、５つの空間フィールドで一つの空間フレームが形成される。一つの空間フレームは、一つの３次元静止画像を形成する。また、１２個の空間フレームによって１秒間の３次元画像が形成される。
【００８３】
また、本実施の形態では、６４０×４８０画素の２次元画像領域を、水平方向１６０個、垂直方向１６０個の小領域に分割する。小領域は、４×３画素で構成される。
【００８４】
図２０は、第１空間フレームＦｍ１を構成する第１空間フィールドＦｄ１ないし第５空間フィールドＦｄ５を示したものである。図中の４×３画素の領域が小領域を表している。各小領域中の各画素毎の方向を走査方向順に見ていくと、第１空間フレームＦｍ１の第１空間フィールドＦｄ１では、各小領域中の各画素毎の方向がθ１〜θ12に設定されている。第２空間フィールドＦｄ２では、各小領域中の各画素毎の方向がθ13〜θ24に設定されている。第３空間フィールドＦｄ３では、各小領域中の各画素毎の方向がθ25〜θ36に設定されている。第４空間フィールドＦｄ４では、各小領域中の各画素毎の方向がθ37〜θ48に設定されている。第５空間フィールドＦｄ５では、各小領域中の各画素毎の方向がθ49〜θ60に設定されている。
【００８５】
図２１は、第２空間フレームＦｍ２を構成する第１空間フィールドＦｄ１ないし第５空間フィールドＦｄ５を示したものである。図中の４×３画素の領域が小領域を表している。各小領域中の各画素毎の方向を走査方向順に見ていくと、第２空間フレームＦｍ２の第１空間フィールドＦｄ１では、各小領域中の各画素毎の方向がθ２〜θ12，θ１に設定されている。第２空間フィールドＦｄ２では、各小領域中の各画素毎の方向がθ14〜θ24，θ13に設定されている。第３空間フィールドＦｄ３では、各小領域中の各画素毎の方向がθ26〜θ36，θ25に設定されている。第４空間フィールドＦｄ４では、各小領域中の各画素毎の方向がθ38〜θ48，θ37に設定されている。第５空間フィールドＦｄ５では、各小領域中の各画素毎の方向がθ50〜θ60，θ49に設定されている。
【００８６】
図２２は、第３空間フレームＦｍ３を構成する第１空間フィールドＦｄ１ないし第５空間フィールドＦｄ５を示したものである。図中の４×３画素の領域が小領域を表している。各小領域中の各画素毎の方向を走査方向順に見ていくと、第３空間フレームＦｍ３の第１空間フィールドＦｄ１では、各小領域中の各画素毎の方向がθ３〜θ12，θ１，θ２に設定されている。第２空間フィールドＦｄ２では、各小領域中の各画素毎の方向がθ15〜θ24，θ13，θ14に設定されている。第３空間フィールドＦｄ３では、各小領域中の各画素毎の方向がθ27〜θ36，θ25，θ26に設定されている。第４空間フィールドＦｄ４では、各小領域中の各画素毎の方向がθ39〜θ48，θ37，θ38に設定されている。第５空間フィールドＦｄ５では、各小領域中の各画素毎の方向がθ51〜θ60，θ49，θ50に設定されている。
【００８７】
以下、同様に、各空間フィールドＦｄ１〜Ｆｄ５において各小領域に割り当てられる方向の組み合わせは同じであるが、空間フレームが一つ進む毎に、各小領域内において、各方向が割り当てられる画素が走査方向に１画素ずつずれる。
【００８８】
図２３は、第１２空間フレームＦｍ１２を構成する第１空間フィールドＦｄ１ないし第５空間フィールドＦｄ５を示したものである。図中の４×３画素の領域が小領域を表している。各小領域中の各画素毎の方向を走査方向順に見ていくと、第１２空間フレームＦｍ３の第１空間フィールドＦｄ１では、各小領域中の各画素毎の方向がθ12，θ１〜θ11に設定されている。第２空間フィールドＦｄ２では、各小領域中の各画素毎の方向がθ24，θ13〜θ23に設定されている。第３空間フィールドＦｄ３では、各小領域中の各画素毎の方向がθ36，θ25〜θ35に設定されている。第４空間フィールドＦｄ４では、各小領域中の各画素毎の方向がθ48，θ37〜θ47に設定されている。第５空間フィールドＦｄ５では、各小領域中の各画素毎の方向がθ60，θ49〜θ59に設定されている。
【００８９】
なお、図２０ないし図２３では、ある方向が割り当てられる画素がどのように変化するかが分かるようにするために、方向θ12，θ24，θ36，θ48，θ60が割り当てられる画素を四角で囲って表している。
【００９０】
図２４および図２５は、一つの小領域中の各画素に割り当てられる方向を表したものである。図２４は、第１空間フレームＦｍ１〜第６空間フレームＦｍ６を表し、図２５は、第７空間フレームＦｍ７〜第１２空間フレームＦｍ１２を表している。
【００９１】
本実施の形態における３次元画像撮影装置の構成は、図５と同様である。本実施の形態では、角度パターン発生回路３７は、上述のフォーマットに従って、各画素毎の方向を表す角度パターンを発生し、偏向板駆動回路３６に供給する。偏向板駆動回路３６は、供給される角度パターンに従って、偏向板１１の各画素毎に、入射光の角度を設定する。図５におけるＣＣＤ駆動回路３１、偏向板駆動回路３６、角度パターン発生回路３７およびタイミング制御回路３８は、本発明における撮影制御手段に対応する。
【００９２】
本実施の形態における３次元画像表示装置の構成は、図１１と同様である。本実施の形態では、角度パターン発生回路５７は、上述のフォーマットに従って、各画素毎の方向を表す角度パターンを発生し、偏向板駆動回路５６に供給する。偏向板駆動回路５６は、供給される角度パターンに従って、偏向板２５の各画素毎に、出射光の角度を設定する。図１１におけるＬＣＤ駆動回路５５、偏向板駆動回路５６、角度パターン発生回路５７およびタイミング制御回路５８は、本発明における表示制御手段に対応する。
【００９３】
２次元画像の表示時における角度パターンは、２次元画像毎に、撮影時における角度パターンと一致していなければならない。これは、映像信号中に含まれる同期信号に基づいて、２次元画像の空間フレームおよび空間フィールドの変化とと角度パターンの変化を同期させることで実現することができる。
【００９４】
以上説明したように、本実施の形態では、５個の空間フィールドからなる一つの空間フレームで３次元静止画像が形成される。一つの空間フィールドでは、１２個の方向について、１６０×１６０画素の解像度の静止画が同時に形成される。そして、５個の空間フィールド、すなわち一つの空間フレームによって、６０個の全方向について、１６０×１６０画素の解像度の静止画が形成される。従って、一つの空間フレームによって、１６０×１６０画素の解像度の３次元画像を表示することができる。更に、１２個の空間フレームによって、６０個の全方向について、６４０×４８０画素の解像度、すなわち最大解像度で、３次元画像を表示することができる。しかも、ある一方向からは、ほぼ完全な、６０フィールド／秒の３次元動画像を観察することが可能である。
【００９５】
本実施の形態では、各空間フィールドによって、６０個の全方向のうちの１２個の方向ずつの画像を形成し、５個の空間フィールド（すなわち、一つの空間フレーム）によって、６０個の全方向の画像を形成するようにしている。また、本実施の形態では、各空間フレームによって、１６０×１６０画素の解像度の３次元画像を形成するが、フレーム毎に、各方向が割り当てられる画素を変えている。これにより、１２個の空間フレームによって、６４０×４８０画素の解像度の３次元画像が形成される。従って、本実施の形態では、３次元画像を表示するために必要な情報を、時間的および空間的なインターレース方式によって構成しているとも言える。
【００９６】
本実施の形態によれば、１秒当たりのフィールド数を少なくしながら、画像更新の周期および解像度の点で観察に耐えられる３次元動画表示が可能となる。
【００９７】
また、本実施の形態によれば、撮影方向を順次変化させながら、一つの撮影手段によって物体を撮影して、撮影方向の異なる複数の２次元画像情報を得るようにしたので、空間に物体の３次元画像を表示するために必要な画像情報を、簡単な構成で、得ることができる。
【００９８】
また、本実施の形態によれば、一つの撮影手段によって物体を連続的に撮影することができるので、物体が動く物であっても、空間に物体の３次元画像を、動くように表示するために必要な画像情報を、簡単な構成で、得ることができる。従って、本実施の形態に係る３次元画像撮影装置および方法によれば、真の意味での立体動画表示を、簡単な構成で実現することが可能となる。
【００９９】
また、本実施の形態によれば、表示位置変換回路３３，５３を付加するだけの簡単な構成と、２次元画像の位置をずらすだけの簡単な処理で、３次元画像の表示位置を変換することができ、３次元画像を空間上の所望の位置に表示させることが可能となる。
【０１００】
なお、本実施の形態では、５個の空間フィールドで一つの空間フレームを形成し、１２個の空間フレーム（６０個の空間フィールド）で１秒間の３次元画像を形成するようにしたが、以下のような種々の変更が可能である。
【０１０１】
例えば、４個の空間フィールドで一つの空間フレームを形成し、１５個の空間フレーム（６０個の空間フィールド）で１秒間の３次元画像を形成するようにしてもよい。この場合には、例えば、小領域を５×３画素とし、一つの空間フィールドにおいて一つの方向に１２８×１６０画素の解像度の２次元静止画を投影することになる。
【０１０２】
また、３個の空間フィールドで一つの空間フレームを形成し、２０個の空間フレーム（６０個の空間フィールド）で１秒間の３次元画像を形成するようにしてもよい。この場合には、例えば、小領域を５×４画素とし、一つの空間フィールドにおいて一つの方向に１２８×１２０画素の解像度の２次元静止画を投影することになる。
【０１０３】
また、２個の空間フィールドで一つの空間フレームを形成し、３０個の空間フレーム（６０個の空間フィールド）で１秒間の３次元画像を形成するようにしてもよい。この場合には、例えば、小領域を５×６画素とし、一つの空間フィールドにおいて一つの方向に１２８×８０画素の解像度の２次元静止画を投影することになる。
【０１０４】
また、一つの空間フィールドで一つの空間フレームを形成し、６０個の空間フレーム（６０個の空間フィールド）で１秒間の３次元画像を形成するようにしてもよい。この場合には、例えば、小領域を１０×６画素とし、一つの空間フィールドにおいて一つの方向に６４×８０画素の解像度の２次元静止画を投影することになる。
【０１０５】
なお、本実施の形態では、１秒当たりの空間フィールド数を６０としたが、これをもっと多くすれば、動きがより円滑な３次元動画表示が可能となる。例えば、１秒当たりの空間フィールド数を１２０とすれば、１秒間に、本実施の形態で説明した６０フィールド分の角度パターンの変化を２回繰り返すことができ、動きをより円滑に表現することが可能となる。
【０１０６】
また、本実施の形態では、２次元画像が６４０×４８０画素で構成されるものとしたが、画素数をもっと多くすれば、より精密な（きめの細かい）３次元画像表示が可能となる。例えば、２次元画像が１０２４×７６８画素で構成される場合を考える。この場合、空間を所定角度毎に６０個に分割すると共に、６０個のフィールドで３次元画像を形成するとすると、例えば、小領域を４×３画素とし、１０２４×７６８画素の画像領域を、２５６×２５６の小領域に分割する。また、例えば、５個の空間フィールドで一つの空間フレームを形成し、１２個の空間フレーム（６０個の空間フィールド）で１秒間の３次元画像を形成する。なお、小領域の大きさを変えてもよいし、空間分解能の向上のためや視野角の向上のために、空間を所定角度毎に分割する分割数を増やしてもよいし、１秒当たりのフィールド数を増やしてもよい。
【０１０７】
２次元画像が１０２４×７６８画素で構成され、１秒当たりのフィールド数が１２０であれば、かなり精密で動きの滑らかな３次元動画表示が可能となる。その実現には、ＣＣＤやＬＣＤに対して、１０２４×７６８画素の画素数が要求されると共に、１２０フィールド／秒のような高レートが要求される。しかし、これは、近年のＣＣＤやＬＣＤの画素数の増加や、ノンインターレース方式対応のＣＣＤの技術等から、十分実現が可能である。
【０１０８】
また、本実施の形態において、表示位置変換処理を実行する場合には、画素毎に撮影方向および投射方向が異なる６０空間フィールド分の２次元画像情報を、６０個の各撮影方向および投射方向毎の２次元画像情報に変換した後、変換後の２次元画像情報に対して表示位置変換処理を行い、その後、画素毎に撮影方向および投射方向が異なる６０空間フィールド分の２次元画像情報に変換するようにすればよい。
【０１０９】
次に、図２６を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、本発明をテレビ会議システムに適用した例である。図２６は、本実施の形態におけるテレビ会議システムの構成を示す説明図である。このテレビ会議システムは、２つの３次元画像撮影表示装置２０１，２０２を備えている。２つの３次元画像撮影表示装置２０１，２０２は、信号を双方向に伝送する信号伝送路２０３を介して接続されている。
【０１１０】
３次元画像撮影表示装置２０１，２０２は、３次元画像撮影装置と３次元画像表示装置とを一体化した装置である。３次元画像撮影表示装置２０１，２０２では、図１に示した３次元画像撮影装置における集光レンズ１２とピンホール部材１３との間に、ハーフミラー２１１が配置されている。このハーフミラー２１１は、その反射面の法線が、３次元画像撮影装置の光学系の光軸に対して４５度をなすように配置されている。そして、集光レンズ１２からの光がハーフミラー２１１で反射して進行する方向に、３次元画像表示装置のピンホール部材２３、集光レンズ２２およびＬＣＤ２１が配置されている。なお、図示しないが、３次元画像撮影表示装置２０１，２０２の回路構成は、３次元画像撮影装置における回路と３次元画像表示装置における回路とを併せ持ったものとなっている。また、３次元画像撮影表示装置２０１，２０２に含まれる３次元画像撮影装置および３次元画像表示装置の構成は、第１の実施の形態と同様である。
【０１１１】
次に、本実施の形態におけるテレビ会議システムの動作について説明する。３次元画像撮影表示装置２０１，２０２では、３次元画像の撮影と表示が同時に行われる。すなわち、偏向板１１では、撮影方向と２次元画像情報の投射方向とが同時に選択される。偏向板１１に入射した光は、集光レンズ１２、ハーフミラー２１１、ピンホール部材１３、集光レンズ１４を経て、ＣＣＤ１５に入射する。ＬＣＤ２１からの光は、集光レンズ２２、ピンホール部材２３、ハーフミラー２１１、集光レンズ１２を経て、偏向板１１によって投射される。
【０１１２】
ここで、例えば、３次元画像撮影表示装置２０１では物体２２０を撮影し、３次元画像撮影表示装置２０２では物体２３０を撮影するものとする。３次元画像撮影表示装置２０１は、ＣＣＤ１５の出力信号を信号処理して、映像信号を生成する。この映像信号は、信号伝送路２０３を介して３次元画像撮影表示装置２０２に伝送される。そして、３次元画像撮影表示装置２０２において、伝送された映像信号に基づいてＬＣＤ２１によって２次元画像情報が形成され、この２次元画像情報が偏向板１１によって選択された方向に投射される。これにより、３次元画像撮影表示装置２０２によって、物体２２０の３次元画像２２１が表示される。
【０１１３】
同様に、３次元画像撮影表示装置２０２は、ＣＣＤ１５の出力信号を信号処理して、映像信号を生成する。この映像信号は、信号伝送路２０３を介して３次元画像撮影表示装置２０１に伝送される。そして、３次元画像撮影表示装置２０１において、伝送された映像信号に基づいてＬＣＤ２１によって２次元画像情報が形成され、この２次元画像情報が偏向板１１によって選択された方向に投射される。これにより、３次元画像撮影表示装置２０１によって、物体２３０の３次元画像２３１が表示される。
【０１１４】
物体２２０，２３０が共に人である場合には、３次元画像撮影表示装置２０１側にいる人は、３次元画像撮影表示装置２０２側にいる人の３次元画像を観察することができ、３次元画像撮影表示装置２０２側にいる人は、３次元画像撮影表示装置２０１側にいる人の３次元画像を観察することができる。
【０１１５】
従って、本実施の形態におけるテレビ会議システムによれば、相手の顔の３次元画像を間近に見ながらテレビ会議を行うことができ、臨場感のあるテレビ会議を行うことができる。また、このシステムによれば、３次元画像の撮影のための光の入射部と３次元画像の表示のための光の出射部が共通化されているので、相手の顔の３次元画像が正面に表示される。従って、相手の眼を見ながら話しをすることができ、より臨場感のあるテレビ会議を行うことができる。
【０１１６】
なお、本実施の形態における３次元画像撮影表示装置を３つ以上の場所に設置し、相互に信号伝送路を介して接続し、各３次元画像撮影表示装置において、他の３次元画像撮影表示装置から送られてくる映像信号を切り替えて表示、あるいは合成して表示することにより、３箇所以上の間でテレビ会議を行うことも可能である。
【０１１７】
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。
【０１１８】
なお、本発明は上記各実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、３次元画像撮影装置において２次元画像を撮影する手段には、ＣＣＤ以外の他の撮像素子を用いてもよい。また、３次元画像表示装置において２次元画像を表示する手段には、ＬＣＤ以外の他の表示素子を用いてもよい。
【０１１９】
また、３次元画像撮影装置における入射光の方向や３次元画像表示装置における出射光の方向を変化させる手段としては、上記各実施の形態で用いた手段に限らず、例えば、回転するプリズムや、回転するミラー等を用いてもよい。
【０１２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の３次元画像撮影装置または３次元画像撮影方法によれば、撮影方向設定手段を制御して、撮影方向設定手段によって設定された全ての撮影方向について、それぞれ、撮影手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報を得ると共に、各撮影方向が割り当てられる画素を変えながら、低解像度の２次元画像情報を得る処理を繰り返し実行して、設定された全ての撮影方向について、それぞれ、撮影手段の解像度と同じ解像度の２次元画像情報を得るようにしたので、画像更新の周期および解像度の点で観察に耐えられる３次元動画表示が可能となり、真の意味での立体動画表示を簡単な構成で実現できるという効果を奏する。
【０１２１】
また、本発明の３次元画像表示装置または３次元画像表示方法によれば、投射方向設定手段を制御して、投射方向設定手段によって設定された全ての投射方向について、それぞれ、投射手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報を投射して、低解像度の３次元画像を表示すると共に、各投射方向が割り当てられる画素を変えながら、低解像度の２次元画像情報を投射する処理を繰り返し実行して、投射手段の解像度と同じ解像度の３次元画像を表示するようにしたので、画像更新の周期および解像度の点で観察に耐えられる３次元動画表示が可能となり、真の意味での立体動画表示を簡単な構成で実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の前提技術における３次元画像撮影装置の概略の構成を示す説明図である。
【図２】本発明の実施の形態の前提技術における３次元画像表示装置の概略の構成を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態の前提技術における３次元画像撮影装置と３次元画像表示装置の位置関係を説明するための説明図である。
【図４】本発明の実施の形態の前提技術における３次元画像撮影装置と３次元画像表示装置の位置関係を説明するための説明図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における３次元画像撮影装置の構成を示すブロック図である。
【図６】図５における偏向板が選択する入射光の角度とＣＣＤが取り込む画像との対応関係を示す説明図である。
【図７】図５における偏向板に用いる液晶素子の構成を示す説明図である。
【図８】図５における偏向板の構成を示す説明図である。
【図９】図８に示した偏向板の動作を説明するための説明図である。
【図１０】図８に示した偏向板の動作を説明するための説明図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態における３次元画像表示装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】図１１におけるＬＣＤが形成する２次元画像と偏向板の出射光の角度との対応関係を示す説明図である。
【図１３】図１２における集光レンズ、偏向板および拡散板を示す斜視図である。
【図１４】図１１における偏向板の動作を説明するための説明図である。
【図１５】図１１における偏向板の動作を説明するための説明図である。
【図１６】本発明の実施の形態の前提技術における表示位置変換処理の原理について説明するための説明図である。
【図１７】図５および図１１における表示位置変換回路の構成の一例を示すブロック図である。
【図１８】本発明の実施の形態の前提技術における３次元画像の撮影の方法の一例を示す説明図である。
【図１９】本発明の実施の形態の前提技術における３次元画像の表示の方法の一例を示す説明図である。
【図２０】本発明の第１の実施の形態における画素毎の撮影方向および投射方向を表すフォーマットを示す説明図である。
【図２１】本発明の第１の実施の形態における画素毎の撮影方向および投射方向を表すフォーマットを示す説明図である。
【図２２】本発明の第１の実施の形態における画素毎の撮影方向および投射方向を表すフォーマットを示す説明図である。
【図２３】本発明の第１の実施の形態における画素毎の撮影方向および投射方向を表すフォーマットを示す説明図である。
【図２４】本発明の第１の実施の形態における画素毎の撮影方向および投射方向を表すフォーマットを示す説明図である。
【図２５】本発明の第１の実施の形態における画素毎の撮影方向および投射方向を表すフォーマットを示す説明図である。
【図２６】本発明の第２の実施の形態におけるテレビ会議システムの構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１１…偏向板、１２…集光レンズ、１３…ピンホール部材、１４…集光レンズ、１５…ＣＣＤ、２１…ＬＣＤ、２２…集光レンズ、２３…ピンホール部材、２４…集光レンズ、２５…偏向板、３１…ＣＣＤ駆動回路、３３…表示位置変換回路、３６…偏向板駆動回路、３７…角度パターン発生回路、３８…タイミング制御回路、５３…表示位置変換回路、５５…ＬＣＤ駆動回路、５６…偏向板駆動回路、５７…角度パターン発生回路、５８…タイミング制御回路。
本発明は、空間に物体の３次元画像を表示するために必要な画像情報を得るための３次元画像撮影装置および方法、ならびに同一物体に対する観察方向の異なる複数の２次元画像情報を、それぞれ観察方向に対応した方向に投射することにより、空間に物体の３次元画像を表示する３次元画像表示装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光技術の進展に伴って、立体画像を表示する技術について様々な提案がなされている。その一つに、例えばアイマックスシアター（商標名）のように、左眼用画像と右眼用画像とを重ね合わせた画像を専用の眼鏡を装着して見ることで立体的な表現を可能とする２眼式の立体ビュア装置がある。この装置では、左右の眼の視差を利用したステレオグラムにより立体的表現を可能としている。
【０００３】
また、レーザ等のコヒーレントな光（可干渉光）を用いたホログラフィ技術による立体表示も行われている。この技術は、予め物体光と参照光とを用いて乾板等にホログラフィを形成しておき、このホログラフィに元の参照光を照射することで再生光を得て立体的な画像表示を行おうとするものである。
【０００４】
また、専用の眼鏡を必要としない立体画像表示技術としては、いわゆるＩＰ(Integral Photography)法や、パララックス法等がある。
【０００５】
ＩＰ法は、リップマンが提案したもので、まず、多数の小さな凸レンズ群からなるフライアイレンズと呼ばれるレンズ板の焦点面に写真乾板を配置して、このレンズ板を介して物体光を露光することにより写真乾板上に多数の小さな物体像を記録したのち、この写真乾板を現像し、それを前と全く同じ位置に置いて背面から光を照射するようにしたものである。
【０００６】
パララックス法は、左右各眼に対応する短冊状の画像の前に配置した縦格子状のアパーチャを通して、短冊状の画像を分離して観察する方法である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のうち、上記の立体ビュア装置においては、専用の眼鏡を装着しなければならないので観る者にとって不便であると共に、不自然な画像であるため疲れやすく、長時間の鑑賞には適さない。
【０００８】
また、上記したホログラフィ技術による立体表示技術は、レーザ等のコヒーレント光を必要とするため、装置が大掛かりとなって製作コストも高くなり、また、レーザ特有のスペックル干渉パターンによる画質低下も生ずる。また、ホログラフィ技術は、予め写真乾板上に作成したホログラフィを用いて立体表示を行うものであるため、静止画には適するものの、動画の３次元表示には適していない。このことは、上記したＩＰ法においても同様であり、予め写真乾板上に多数の小さな物体像を記録する工程が必要であることから動画には適していない。
【０００９】
また、専用の眼鏡を必要としないパララックス法は、あくまで左右の眼の視差を利用した擬似的な立体表示を行うものであって、真の意味での３次元表示を可能とするものではない。このため、画面の左右方向の立体感は表示できるものの、上下方向の立体感は表現できず、例えば寝転んで見ることはできなかった。また、視差利用技術であることから、視点を変えても単に同じ画像が立体感（奥行感）をもって見えるにすぎず、頭を左右に振っても物体の側面が見えるわけではなかった。
【００１０】
また、パララックス法を実現するには、物体を、複数のカメラによって、異なる方向から撮影し、各カメラによって撮影されて得られたフィルムを現像後、各フィルムを複数の画像投射機（プロジェクタ）によって、アパーチャを通して印画紙に焼き付けることによって短冊状の画像を形成する必要がある。従って、パララックス法を実現するには、大掛かりな装置が必要になる。
【００１１】
以上のことから、従来の技術では、真の意味での立体動画表示を、簡単な構成で実現することが困難であった。
【００１２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、真の意味での立体動画表示を簡単な構成で実現できるようにした３次元画像撮影装置および方法ならびに３次元画像表示装置および方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の３次元画像撮影装置は、空間に物体の３次元画像を表示するために必要な画像情報を得るための３次元画像撮影装置であって、物体を撮影して、物体の２次元画像情報を生成する撮影手段と、撮影手段に対して、２次元画像情報の画素毎に異なる撮影方向を設定可能な撮影方向設定手段と、撮影方向設定手段を制御して、撮影方向設定手段によって設定された全ての撮影方向について、それぞれ、撮影手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報を得ると共に、各撮影方向が割り当てられる画素を変えながら、低解像度の２次元画像情報を生成する処理を繰り返し実行して、設定された全ての撮影方向について、それぞれ、撮影手段の解像度と同じ解像度の２次元画像情報を得る撮影制御手段とを備えたものである。
【００１４】
この３次元画像撮影装置では、撮影手段によって物体の２次元画像情報が生成される。また、撮影制御手段によって、撮影方向設定手段が制御されて、設定された全ての撮影方向について、それぞれ、撮影手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報が得られると共に、各撮影方向が割り当てられる画素を変えながら、低解像度の２次元画像情報を生成する処理が繰り返し実行されて、設定された全ての撮影方向について、それぞれ、撮影手段の解像度と同じ解像度の２次元画像情報が得られる。
【００１５】
また、本発明の３次元画像撮影装置では、撮影制御手段は、例えば、２次元画像の領域を、それぞれＡ画素（Ａは２以上の整数）からなる複数の小領域に分割し、設定された全ての撮影方向を、それぞれ、小領域内の一つの画素に対して設定して、解像度が撮影手段の解像度のＡ分の１となる低解像度の２次元画像情報を得ると共に、各撮影方向が割り当てられる画素を小領域内で変えながら、低解像度の２次元画像情報を生成する処理をＡ回繰り返し実行して、撮影手段の解像度と同じ解像度の２次元画像情報を得る。この場合、撮影制御手段は、例えば、設定された全ての撮影方向を、それぞれＡ個ずつの撮影方向に分割し、Ａ個の撮影方向についての低解像度の２次元画像情報を得る処理を繰り返し実行することによって、設定された全ての撮影方向について、低解像度の２次元画像情報を得る。
【００１６】
また、本発明の３次元画像撮影装置では、撮影方向設定手段は、例えば、物体と撮影手段との間に配置され、入射する光の方向を選択して光を偏向させる偏向手段を有するものでもよい。
【００１７】
本発明の３次元画像撮影方法は、物体を撮影して、物体の２次元画像情報を生成する撮影手段と、撮影手段に対して、２次元画像情報の画素毎に異なる撮影方向を設定可能な撮影方向設定手段とを用いて、空間に物体の３次元画像を表示するために必要な画像情報を得るための３次元画像撮影方法であって、撮影方向設定手段を制御して、撮影方向設定手段によって設定された全ての撮影方向について、それぞれ、撮影手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報を得る第１の手順と、各撮影方向が割り当てられる画素を変えながら、第１の手順を繰り返し実行して、設定された全ての撮影方向について、それぞれ、撮影手段の解像度と同じ解像度の２次元画像情報を得る第２の手順とを含むものである。
【００１８】
この３次元画像撮影方法では、第１の手順において、撮影方向設定手段が制御され、設定された全ての撮影方向について、それぞれ、撮影手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報が得られる。また、第２の手順において、各撮影方向が割り当てられる画素を変えながら、第１の手順が繰り返し実行されて、設定された全ての撮影方向について、それぞれ、撮影手段の解像度と同じ解像度の２次元画像情報が得られる。
【００１９】
また、本発明の３次元画像撮影方法では、例えば、第１の手順は、２次元画像の領域を、それぞれＡ画素（Ａは２以上の整数）からなる複数の小領域に分割し、設定された全ての撮影方向を、それぞれ、小領域内の一つの画素に対して設定して、解像度が撮影手段の解像度のＡ分の１となる低解像度の２次元画像情報を得て、第２の手順は、各撮影方向が割り当てられる画素を小領域内で変えながら、第１の手順をＡ回繰り返し実行して、撮影手段の解像度と同じ解像度の２次元画像情報を得る。この場合、第１の手順は、例えば、設定された全ての撮影方向を、それぞれＡ個ずつの撮影方向に分割し、Ａ個の撮影方向についての低解像度の２次元画像情報を得る処理を繰り返し実行することによって、設定された全ての撮影方向について、低解像度の２次元画像情報を得る。
【００２０】
本発明の３次元画像表示装置は、同一物体に対する観察方向の異なる複数の２次元画像情報を、それぞれ観察方向に対応した方向に投射することにより、空間に物体の３次元画像を表示する３次元画像表示装置であって、物体の２次元画像情報を投射する投射手段と、投射手段に対して、２次元画像情報の画素毎に異なる投射方向を設定可能な投射方向設定手段と、投射方向設定手段を制御して、前記投射方向設定手段によって設定された全ての投射方向について、それぞれ、投射手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報を投射して、低解像度の３次元画像を表示すると共に、各投射方向が割り当てられる画素を変えながら、低解像度の２次元画像情報を投射する処理を繰り返し実行して、投射手段の解像度と同じ解像度の３次元画像を表示する表示制御手段とを備えたものである。
【００２１】
この３次元画像表示装置では、投射手段によって、物体の２次元画像情報が投射される。また、表示制御手段によって、投射方向設定手段が制御され、設定された全ての投射方向について、それぞれ、投射手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報が投射されて、低解像度の３次元画像が表示されると共に、各投射方向が割り当てられる画素を変えながら、低解像度の２次元画像情報を投射する処理を繰り返し実行することによって、投射手段の解像度と同じ解像度の３次元画像が表示される。
【００２２】
また、本発明の３次元画像表示装置では、例えば、表示制御手段は、２次元画像の領域を、それぞれＡ画素（Ａは２以上の整数）からなる複数の小領域に分割し、設定された全ての投射方向を、それぞれ、小領域内の一つの画素に対して設定して、解像度が投射手段の解像度のＡ分の１となる低解像度の２次元画像情報を投射して、低解像度の３次元画像を表示すると共に、各投射方向が割り当てられる画素を小領域内で変えながら、低解像度の２次元画像情報を投射する処理をＡ回繰り返し実行して、投射手段の解像度と同じ解像度の３次元画像を表示する。この場合、表示制御手段は、例えば、設定された全ての投射方向を、それぞれＡ個ずつの投射方向に分割し、Ａ個の投射方向について低解像度の２次元画像情報を投射する処理を繰り返し実行することによって、設定された全ての投射方向について、低解像度の２次元画像情報を投射する。
【００２３】
また、本発明の３次元画像表示装置では、投射方向設定手段は、例えば、出射する光の方向を選択して光を偏向させる偏向手段を有するものでもよい。
【００２４】
本発明の３次元画像表示方法は、物体の２次元画像情報を投射する投射手段と、投射手段に対して、２次元画像情報の画素毎に異なる投射方向を設定可能な投射方向設定手段とを用いて、同一物体に対する観察方向の異なる複数の２次元画像情報を、それぞれ観察方向に対応した方向に投射することにより、空間に物体の３次元画像を表示する３次元画像表示方法であって、投射方向設定手段を制御して、投射方向設定手段によって設定された全ての投射方向について、それぞれ、投射手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報を投射して、低解像度の３次元画像を表示する第１の手順と、各投射方向が割り当てられる画素を変えながら、第１の手順を繰り返し実行して、投射手段の解像度と同じ解像度の３次元画像を表示する第２の手順とを含むものである。
【００２５】
この３次元画像表示方法では、第１の手順において、投射方向設定手段が制御され、設定された全ての投射方向について、それぞれ、投射手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報が投射されて、低解像度の３次元画像が表示される。また、第２の手順において、各投射方向が割り当てられる画素を変えながら、第１の手順が繰り返し実行されて、投射手段の解像度と同じ解像度の３次元画像が表示される。
【００２６】
また、本発明の３次元画像表示方法では、例えば、第１の手順は、２次元画像の領域を、それぞれＡ画素（Ａは２以上の整数）からなる複数の小領域に分割し、設定された全ての投射方向を、それぞれ、小領域内の一つの画素に対して設定して、解像度が投射手段の解像度のＡ分の１となる低解像度の２次元画像情報を投射して、低解像度の３次元画像を表示し、第２の手順は、各投射方向が割り当てられる画素を小領域内で変えながら、低解像度の２次元画像情報を投射する処理をＡ回繰り返し実行して、投射手段の解像度と同じ解像度の３次元画像を表示する。この場合、第１の手順は、例えば、設定された全ての投射方向を、それぞれＡ個ずつの投射方向に分割し、Ａ個の投射方向について低解像度の２次元画像情報を投射する処理を繰り返し実行することによって、設定された全ての投射方向について、低解像度の２次元画像情報を投射する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る３次元画像撮影装置および方法ならびに３次元画像表示装置および方法について図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】
始めに、図１ないし図１９を参照して、本発明の実施の形態の前提となる技術（以下、前提技術と言う。）について説明する。まず、図１および図２を参照して、前提技術における３次元画像の撮影と表示の原理について説明する。
【００２９】
図１は前提技術における３次元画像撮影装置の概略の構成を示す説明図である。この３次元画像撮影装置は、入射する光の方向と出射する光の方向とを所定の角度範囲内で選択することの可能な偏向板１１と、この偏向板１１の一方の面に対向するように配置された集光レンズ１２と、この集光レンズ１２における偏向板１１とは反対側に順に配置されたピンホール部材１３、集光レンズ１４およびＣＣＤ（電荷結合素子）１５とを備えている。ピンホール部材１３は、光を通過させるピンホールを有している。
【００３０】
この３次元画像撮影装置では、偏向板１１における集光レンズ１２とは反対側の面が、撮影対象物としての物体１０に向けられるようになっている。偏向板１１は、本発明における撮影方向設定手段に対応する。集光レンズ１２は、偏向板１１側より垂直に平行光が入射したときに、出射光がピンホール部材１３のピンホールの位置で最も小径となるように、光を集光するようになっている。この集光レンズ１２には、例えばフレネルレンズが用いられる。集光レンズ１４は、ピンホールを通過して拡散する光を集光して、ＣＣＤ１５の撮像面上に、物体１０の像を結像するようになっている。集光レンズ１２、ピンホール部材１３、集光レンズ１４およびＣＣＤ１５は、本発明における撮影手段に対応する。
【００３１】
ここで、図１に示した３次元画像撮影装置の作用について説明する。物体１０からの光は偏向板１１に入射する。偏向板１１は、この入射する光のうち、偏向板１１の面に対して所定の角度をなす光のみを選択的に通過させ、偏向板１１の面に対して垂直な平行光として出射する。集光レンズ１２は、偏向板１１からの平行光を集光する。この光は、ピンホール部材１３のピンホールを通過し、集光レンズ１４によって集光され、ＣＣＤ１５に入射する。ＣＣＤ１５の撮像面には、所定の方向から見た物体１０の２次元画像が結像される。この３次元画像撮影装置では、観察点１６が、偏向板１１および集光レンズ１２を挟んで物体１０に対向する位置に想定されて、撮影が行われる。偏向板１１において選択される入射光の角度は、時間と共に順次変えられる。
【００３２】
このように、図１に示した３次元画像撮影装置では、一つの撮影手段（ＣＣＤ１５等）によって物体１０が撮影されて、物体１０の２次元画像情報が生成されると共に、撮影方向が順次変化させられる。従って、ＣＣＤ１５より出力される画像情報は、時間と共に撮影方向が変化する複数の２次元画像情報となり、これは、空間に物体の３次元画像を表示するために必要な画像情報となる。
【００３３】
図２は前提技術における３次元画像表示装置の概略の構成を示す説明図である。この３次元画像表示装置は、２次元画像情報に基づいて、通過する光を空間的に変調する空間光変調器としての透過型の液晶表示素子（以下、ＬＣＤと記す。）２１と、このＬＣＤ２１の光の出射側に順に配置された集光レンズ２２、ピンホール部材２３、集光レンズ２４および偏向板２５を備えている。ピンホール部材２３は、光を通過させるピンホールを有している。
【００３４】
集光レンズ２２は、ＬＣＤ２１の出射光を、ピンホール部材２３のピンホールの位置で最も小径となるように集光するようになっている。集光レンズ２４は、ピンホールを通過した光を平行光とするようになっている。この集光レンズ２４には、例えばフレネルレンズが用いられる。偏向板２５は、集光レンズ２４からの光を、偏向板２５の面に対して所定の角度をなす平行光として出射するようになっている。ＬＣＤ２１、集光レンズ２２、ピンホール部材２３、集光レンズ２４および偏向板２５は、本発明における投射手段に対応する。偏向板２５は、本発明における投射方向設定手段に対応する。
【００３５】
ここで、図２に示した３次元画像表示装置の作用について説明する。ＬＣＤ２１は、図１に示した３次元画像撮影装置によって得られた２次元画像情報に基づいて、光を空間的に変調する。ＬＣＤ２１によって変調された光は、集光レンズ２２によって集光され、ピンホール部材２３のピンホールを通過し、集光レンズ２４によって平行光とされて、偏向板２５に入射する。偏向板２５は、集光レンズ２４からの光を、偏向板２５の面に対して所定の角度をなす平行光として出射する。偏向板２５からの出射光の角度は、撮影時における偏向板１１の入射光の角度と一致するように、時間と共に順次変えられる。
【００３６】
このように、図２に示した３次元画像表示装置では、図１に示した３次元画像撮影装置によって得られ、撮影方向が変化する２次元画像情報に基づいて、ＬＣＤ２１によって光が変調されて、２次元画像が再生される。この２次元画像は、撮影時における偏向板１１の入射光の角度と一致する角度で、偏向板２５から出射される。これにより、空間上に、物体１０の３次元画像（立体画像）２０が形成される。偏向板２５における光の出射側に位置する観察者２６は、この３次元画像２０を観察することができる。
【００３７】
なお、ＬＣＤ２１に与える２次元画像情報は、図１に示した３次元画像撮影装置によって得られた２次元画像情報を、上下方向および左右方向に反転させた２次元画像情報とする。ただし、左右方向にのみ立体的な３次元画像を表示する場合には、図１に示した３次元画像撮影装置によって得られた２次元画像情報を、左右方向に反転させた２次元画像情報を与えればよい。また、この場合には、偏向板２５の光の出射側に、上下方向に光を拡散する拡散板を設ける必要がある。この拡散板は、例えば、水平方向に延びる微小な蒲鉾型レンズを上下方向に多数並べて構成される。
【００３８】
次に、図３および図４を参照して、左右方向にのみ立体的な３次元画像を表示する場合を例にとって、前提技術における３次元画像撮影装置と３次元画像表示装置の位置関係について概念的に説明する。図３は、図１に示した３次元画像撮影装置の光学系に、図２に示した３次元画像表示装置の光学系を重ね合わせた場合の光学系を示す説明図である。図４は、図２に示した３次元画像表示装置の光学系に、図１に示した３次元画像撮影装置の光学系を重ね合わせた場合の光学系を示す説明図である。これらの図に示した光学系では、集光レンズ１２とピンホール部材１３との間に、仮想的なハーフミラー２７が配置されている。このハーフハーフミラー２７は、その反射面の法線が、３次元画像撮影装置の光学系の光軸に対して４５度をなすように配置されている。そして、集光レンズ１２からの光がハーフミラー２７で反射して進行する方向に、３次元画像表示装置のピンホール部材２３、集光レンズ２２およびＬＣＤ２１が配置されている。
【００３９】
撮影時には、ＣＣＤ１５上に物体１０の像が結像される。このとき、集光レンズ１２からの光がハーフミラー２７で反射してＬＣＤ２１に結像したとすると、ＬＣＤ２１に結像する像は、ＣＣＤ１５上に結像する像に対して左右方向に反転した像である。表示時には、この反転した像が形成されるように、ＬＣＤ２１を駆動することになる。
【００４０】
次に、図５を参照して、前提技術における３次元画像撮影装置の構成について詳しく説明する。図５は、前提技術における３次元画像撮影装置の構成を示すブロック図である。この３次元画像撮影装置は、図１に示した構成の他に、ＣＣＤ１５を駆動するＣＣＤ駆動回路３１と、ＣＣＤ１５の出力信号を処理して、画像信号を出力する信号処理回路３２と、この信号処理回路３２の出力信号を入力し、必要に応じて、後述する表示位置変換処理を行う表示位置変換回路３３と、この表示位置変換回路３３に対して、表示位置の移動量の情報を与えるための操作部３４と、表示位置変換回路３３の出力に同期信号を重畳して、映像信号として出力する出力回路３５とを備えている。３次元画像撮影装置は、更に、偏向板１１を駆動する偏向板駆動回路３６と、この偏向板駆動回路３６に対して、選択する入射光の角度の空間的および時間的なパターンの情報を与える角度パターン発生回路３７と、上記各回路の動作のタイミングを制御するタイミング制御回路３８とを備えている。
【００４１】
なお、ＣＣＤ１５は、モノクロ画像用でもよいし、カラー画像用でもよい。カラー画像用のＣＣＤ１５としては、例えば、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色フィルタを備えた単板式カラーフィルタ方式のものでもよいし、入射光をＲ，Ｇ，Ｂの各色に分離する色分離手段と分離された各光を受光する３枚のモノクロ用のＣＣＤとを含む３板式のものでもよい。
【００４２】
ここで、図５に示した３次元画像撮影装置の動作について説明する。偏向板駆動回路３６は、偏向板１１が選択する入射光の角度が、一定の周期で順次変化するように、偏向板１１を駆動する。以下の説明では、偏向板１１が選択する入射光の角度が、θ１からθ６０まで、Δθ間隔で変化するものとする。Δθは、例えば１度とする。
【００４３】
ＣＣＤ駆動回路３１は、偏向板１１が選択する入射光の各角度毎に、１枚の２次元画像情報が得られるように、偏向板駆動回路３６による偏向板１１の駆動に同期してＣＣＤ１５を駆動する。ＣＣＤ１５の出力信号は、信号処理回路３２によって処理されて画像信号とされる。この画像信号は、必要に応じて表示位置変換回路３３による表示位置変換処理が施されて、出力回路３５に送られる。そして、この出力回路３５より映像信号が出力される。なお、表示位置変換回路３３の構成と動作については、後で詳しく説明する。
【００４４】
図６は、偏向板１１が選択する入射光の角度とＣＣＤ１５が取り込む画像との対応関係を示す説明図である。この図に示したように、偏向板１１が選択する入射光の角度は、θ1 からθ60まで角度Δθ（＝１度）間隔で変化する。ＣＣＤ１５は、各角度θi （ｉ＝１，２，…，６０）毎に、撮影対象物としての物体の２次元画像を取り込む。ここで、各角度θi 毎に取り込まれた１枚の２次元画像を１フィールド分の画像と呼ぶこととする。従って、角度θ1 からθ60までの入射光の角度の走査によって、６０フィールド分の２次元画像が得られる。以下の説明では、この角度θ1 からθ60までの走査によって得られる２次元画像の集合体を、６０空間フィールド分の画像と呼ぶものとする。６０空間フィールド分の画像で一つの３次元静止画像が形成される。そのため、角度θ1 からθ60までの６０空間フィールドを１空間フレームと呼ぶものとする。また、θ1 〜θ60の各角度毎の画像取り込みは、それぞれ、タイミングｔ1 〜ｔ60において行われるものとする。
【００４５】
角度θ1 からθ60までの６０空間フィールド分の画像の取り込みが終了すると、次のタイミングｔ61〜ｔ120 においてさらに角度θ1 からθ60までの６０空間フィールド分の画像の取込みが行われる。以下同様にして、６０空間フィールド分ずつの画像の取込みが繰り返される。そして、この繰り返しを６０回行うことで、合計３６００フィールド分の画像が得られる。このとき、ある角度θi に着目すると、タイミングｔi 〜ｔ(i+60x59) において６０フィールド分の画像が得られたことになる。なお、以下の説明では、各角度θｉにおいてタイミングｔi 〜ｔ(i+60x59) で得られる２次元画像を６０時間フィールド分の画像と呼ぶものとする。
【００４６】
ここで、角度θ1 からθ60までの入射光の角度の変化および６０空間フィールド分の画像の取込みを１／６０秒の時間で行うものとすると、入射光の角度変化の周期および画像取込み周期Δｔは１／３６００秒となり、１秒間で３６００フィールド分の画像が得られることになる。
【００４７】
次に、３次元画像撮影装置における偏向板１１の構成の一例について説明する。図７は、偏向板１１に用いる液晶素子の構成を示したものである。この液晶素子４０は、高分子分散液晶(PDLC : Polymer Dispersed Liquid Crystal) または高分子・液晶複合体(Liquid Crystal Polymer Composite)と呼ばれる素子を用いて構成される。この高分子分散液晶素子は、高分子と液晶の複合体に電圧を加えて液晶分子の配列方向を電界の方向に揃え、高分子と液晶との屈折率のマッチングによる効果を利用して、見る方向によって白濁状態と透明状態とを切り換えることができる機能を有するものである。
【００４８】
液晶素子４０は、高分子材料４１中に数ミクロン以下の針状の液晶分子４２を分散させて形成した高分子・液晶複合層４３と、この高分子・液晶複合層４３の入射面および出射面に、高分子・液晶複合層４３を挟んで互いに対向すると共に紙面と直交する方向に延びるように形成された微小幅のストライプ電極４４，４５とを備えている。なお、ストライプ電極４４，４５は、上記のようにストライプの方向（電極の長手方向）が互いに平行になるように配置してもよいが、例えば、ストライプの方向を直交させた、いわゆる単純マトリクス配置としてもよい。あるいは、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）等を用いて構成されるアクティブマトリクス配置としてもよい。これらの場合には、偏向方向の制御を２方向について行うことが可能になる。
【００４９】
ストライプ電極４４，４５は、例えばＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明導電膜から形成され、図の紙面と直交する方向（縦方向）に延びている。ストライプ電極４４とストライプ電極４５との間には、所定の電圧が選択的に印加されるようになっている。図中における１Ｐｘは、１画素分の領域を表している。ストライプ電極４４，４５の配列のピッチは、６０個の角度θ1 〜θ60を実現し得る程度に、でき得る限り小さくされている。
【００５０】
液晶分子４２は、電圧が印加されていない状態では、高分子材料４１中において液晶光軸（長軸）がランダムな方向を向いている。この状態では、液晶分子４２の実効的な屈折率と高分子材料４１の屈折率とは一致せず、液晶分子４２と高分子材料４１との界面での光散乱効果によって、高分子・液晶複合層４３の全体が不透明な白色状態を呈する。一方、ストライプ電極４４，４５間に電圧が選択的に印加されると、これにより生ずる挟い電界の及ぶ範囲内において、液晶分子４２の光軸方向が電界方向と一致して揃い、液晶分子４２の見かけの屈折率は、液晶分子４２の常光線に対応する値ｎ0 となる。このため、高分子材料４１として、その屈折率がｎ0 とほぼ等しいものを用いると、液晶分子４２と高分子材料４１との界面における屈折率の差がなくなり、電界方向においては光散乱効果が弱まって高分子・液晶複合層４３が透明になる。すなわち、電界方向にのみ光が通過することとなる。
【００５１】
ここで、例えば、高分子・液晶複合層４３の厚さをＬ、ストライプ電極４４，４５の配列のピッチをｐとする。この場合、高分子・液晶複合層４３を通過する光の方向が高分子・液晶複合層４３の面の法線に対してなす角度をδｉ、そのときのストライプ電極４４，４５間の水平方向のずれ量をピッチ数で表した値をｎi 、ストライプ電極４４，４５間の水平方向のずれ量を距離で表した値をｄi とすると、
ｔａｎδi ＝ｄi ／Ｌ＝ｐ×ｎi ／Ｌ
より、所定の角度δi を得るためのストライプ電極４４，４５間の水平方向のずれピッチ数ｎi は、次の式（１）で表される。ここに、ｉ＝１，２，…，６０である。
【００５２】
ｎi ＝Ｌ×ｔａｎδi ／ｐ…（１）
【００５３】
図８は、上述の液晶素子４０を用いた偏向板１１の構成を示したものである。この図に示したように、３次元画像撮影装置における偏向板１１としては、液晶素子４０を２枚重ね合わせた構造のものが用いられる。以下、偏向板１１における入射側の液晶素子４０を符号４０Ａで表し、出射側の液晶素子４０を符号４０Ｂで表す。なお、図８では、ストライプ電極４４，４５の図示を省略している。液晶素子４０Ａ，４０Ｂ間の界面は、光散乱面になっている。
【００５４】
この偏向板１１の駆動は、以下のようにして行われる。液晶素子４０Ａでは、通過する光の角度δi が、選択する入射光の角度θ1 〜θ60となるように、ストライプ電極４４，４５に対する電圧の印加が制御される。液晶素子４０Ａを通過した光は、液晶素子４０Ａ，４０Ｂの間の光散乱面で散乱される。液晶素子４０Ｂでは、液晶素子４０Ａを通過し、光散乱面で散乱された光のうち、液晶素子４０Ｂの面に垂直な光のみが液晶素子４０Ｂを通過するように、ストライプ電極４４，４５に対する電圧の印加が制御される。これにより、図８に示したように、角度θi で入射する光のみが、偏向板１１を通過し、且つ偏向板１１の面に対して垂直に出射される。
【００５５】
図９は、入射光の角度がθ１のときの偏向板１１の動作を示したものであり、図１０は、入射光の角度がθ60のときの偏向板１１の動作を示したものである。これらの図に示したように、各液晶素子４０Ａ，４０Ｂにおけるストライプ電極４４，４５に対する電圧印加の制御は、電圧の印加される一対の電極間を結ぶ直線が偏向板１１の面に対してなす角度をθi に保ったまま、電圧の印加される一対の電極を、例えば、図中の矢印で示したように図の左方から右方へと順次シフトさせるようにして行われる。より具体的には、入射面側に配列された各ストライプ電極４５に対して次々と所定の時間間隔でパルス電圧を印加する走査（以下、電圧印加走査という。）に同期して、出射面側に配列された各ストライプ電極４４に対して次々とパルス電圧を印加する電圧印加走査が行われる。その際、入射面側の電圧が印加されるストライプ電極４５と出射面側の電圧が印加されるストライプ電極４４との間には、角度θi に対応した水平ずれ距離が保たれるように制御が行われる。このような動作は、各画素に対応した各領域で同時に行われる。
【００５６】
１つの角度θi についての電圧印加走査は、１／３６００秒の時間周期で行われる。従って、角度θ1 からθ60までのすべての角度についての電圧印加走査に要する時間は１／６０秒である。
【００５７】
高分子・液晶複合層４３は、例えば、高分子と液晶の溶液を基板上に塗布した後に溶媒を蒸発させる方法や、高分子材料のモノマーが重合して硬化する際に液晶が高分子材から析出して液晶小滴が形成されるという効果を利用する方法により形成されるが、この他の方法でも形成可能である。例えば、ポリビニルアルコール(PVA) 等の水溶液にネマティック液晶を分散して液晶小滴をマイクロカプセル化した構造のものや、液晶中に少量の高分子材料をゲル状に分散した構造のものであってもよい。なお、従来の高分子分散液晶では球状の液晶分子が用いられているが、本例のように指向性が必要とされる用途では、液晶分子の形状が上記したような針状であることが望ましい。このような針状の液晶を形成するには、例えば、均一な磁場中において液晶を析出させてマイクロカプセル化させる方法がある。この方法では、磁場方向における潮汐効果により、針状の液晶分子４２が形成される。
【００５８】
次に、図１１を参照して、前提技術における３次元画像表示装置の構成について詳しく説明する。図１１は、前提技術における３次元画像表示装置の構成を示すブロック図である。この３次元画像表示装置は、図２に示した構成の他に、ＬＣＤ２１に平行な照明光を供給する光源部５０と、映像信号を入力し、この映像信号より同期信号を分離し、映像信号と同期信号とを出力する同期分離回路５１と、この同期分離回路５１より出力される映像信号を基に、信号処理を加えて画像信号を出力する信号処理回路５２と、この信号処理回路５２の出力信号を入力し、必要に応じて、後述する表示位置変換処理を行う表示位置変換回路５３と、この表示位置変換回路５３に対して、表示位置の移動量の情報を与えるための操作部５４と、表示位置変換回路５３の出力信号に基づいて、ＬＣＤ２１を駆動するＬＣＤ駆動回路５５とを備えている。３次元画像表示装置は、更に、偏向板２５を駆動する偏向板駆動回路５６と、この偏向板駆動回路５６に対して、選択する入射光の角度の空間的および時間的なパターンの情報を与える角度パターン発生回路５７と、同期分離回路５１より出力される同期信号を入力し、この同期信号に同期して、上記各回路の動作のタイミングを制御するタイミング制御回路５８とを備えている。
【００５９】
なお、ＬＣＤ２１は、モノクロ画像を形成するものでもよいし、カラー画像を形成するものでもよい。カラー画像を形成する場合には、ＬＣＤ２１としては、例えば、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色フィルタを備えた単板式カラーフィルタ方式のものが用いられる。ＬＣＤ２１の液晶部分には、例えば、高速動作が可能な強誘電性液晶(FLC : Ferroelectric Liquod Crystal)が用いられる。また、光源部５０およびＬＣＤ２１の代わりに、白色光源と、この白色光源より出射される光をＲ，Ｇ，Ｂの各色に分離する、ダイクロイックミラーまたはダイクロイックプリズム等の色分離手段と、この色分離手段によって分離された各光を、それぞれＲ，Ｇ，Ｂ毎の画像信号に応じて空間的に変調する３枚のモノクロ用ＬＣＤと、各モノクロ用ＬＣＤによって変調されたＲ，Ｇ，Ｂの各光を合成して出射する合成手段とを設けてもよい。
【００６０】
ここで、図１１に示した３次元画像表示装置の動作について説明する。この３次元画像表示装置には、例えば図５に示した３次元画像撮影装置によって得られた映像信号が入力される。同期分離回路５１は、入力された映像信号より同期信号を分離して、映像信号と同期信号とを出力する。映像信号は、信号処理回路５２によって処理されて画像信号とされる。この画像信号は、必要に応じて表示位置変換回路５３による表示位置変換処理が施されて、ＬＣＤ駆動回路５５に送られる。そして、このＬＣＤ駆動回路５５によって、画像信号に基づいてＬＣＤ２１が駆動される。
【００６１】
光源部５０より出射された平行な照明光は、ＬＣＤ２１によって空間的に変調される。これにより、２次元画像が形成される。ＬＣＤ２１の出射光は、集光レンズ２２、ピンホール部材２３のピンホールおよび集光レンズ２４を経て、平行光束として偏向板２５に入射する。
【００６２】
偏向板駆動回路５６は、偏向板２５の出射光の角度が、一定の周期で順次変化するように、偏向板２５を駆動する。ここで、偏向板２５の出射光の角度は、ＬＣＤ２１によって形成される各２次元画像毎に、３次元画像撮影装置による撮影時における入射光の角度と一致するように制御される。このような角度の制御は、同期分離回路５１によって分離された同期信号に基づいて、タイミング制御回路５８によって行われる。
【００６３】
図１２は、ＬＣＤ２１が形成する２次元画像と偏向板２５の出射光の角度との対応関係を示す説明図である。なお、ここでは、左右方向にのみ立体的な３次元画像を表示するものとする。そのため、図１２に示したように、偏向板２５の光の出射側に、上下方向に光を拡散する拡散板２９が設けられている。図１３は、集光レンズ２４、偏向板２５および拡散板２９を示す斜視図である。この図に示したように、拡散板２９は、偏向板２５の光の出射光を、上下方向に所定の角度αで拡散するようになっている。
【００６４】
図１２に示したように、偏向板２５の出射光の角度は、θ1 からθ60まで角度Δθ（＝１度）間隔で変化する。ＬＣＤ２１は、各角度θi （ｉ＝１，２，…，６０）毎に、その角度に対応した２次元画像を形成する。従って、角度θ1 からθ60までの出射光の角度の走査によって、６０空間フィールド分の２次元画像がそれぞれ異なる方向に投影される。θ1 〜θ60の各角度毎の２次元画像の形成は、それぞれ、タイミングｔ1 〜ｔ60において行われる。
【００６５】
角度θ1 からθ60までの６０空間フィールド分の画像の形成が終了すると、次のタイミングｔ61〜ｔ120 においてさらに角度θ1 からθ60までの６０空間フィールド分の画像の形成が行われる。以下同様にして、６０空間フィールド分ずつの画像の形成が繰り返される。そして、この繰り返しを６０回行うことで、合計３６００フィールド分の２次元画像が投影される。
【００６６】
次に、３次元画像表示装置における偏向板２５の構成の一例について説明する。図１４および図１５は、偏向板２５の構成を示したものである。これらの図に示したように、偏向板２５は、１枚の液晶素子４０によって構成されている。偏向板２５の入射側の面は、光散乱面４９になっている。従って、偏向板２５に入射した光は、光散乱面４９で散乱され、そのうちの選択された方向の光のみが液晶素子４０を通過して出射される。
【００６７】
この偏向板２５では、出射光の角度が、順次θ1 〜θ60となるように、液晶素子４０のストライプ電極４４，４５に対する電圧の印加が制御される。図１４は、出射光の角度がθ１のときの偏向板２５の動作を示したものであり、図１５は、出射光の角度がθ60のときの偏向板２５の動作を示したものである。これらの図に示したように、液晶素子４０におけるストライプ電極４４，４５に対する電圧印加の制御は、電圧の印加される一対の電極間を結ぶ直線が偏向板２５の面に対してなす角度をθi に保ったまま、電圧の印加される一対の電極を、例えば、図中の矢印で示したように図の左方から右方へと順次シフトさせるようにして行われる。より具体的には、入射面側に配列された各ストライプ電極４４に対して次々と所定の時間間隔でパルス電圧を印加する電圧印加走査に同期して、出射面側に配列された各ストライプ電極４５に対して次々とパルス電圧を印加する電圧印加走査が行われる。その際、入射面側の電圧が印加されるストライプ電極４４と出射面側の電圧が印加されるストライプ電極４５との間には、角度θi に対応した水平ずれ距離が保たれるように制御が行われる。このような動作は、各画素に対応した各領域で同時に行われる。
【００６８】
１つの角度θi についての電圧印加走査は、１／３６００秒の時間周期で行われる。従って、角度θ1 からθ60までのすべての角度についての電圧印加走査に要する時間は１／６０秒である。
【００６９】
なお、液晶分子４２の配向作用はヒステリシスを有するため、電界が移動していった後でもその配向状態がある程度の時間保持される。したがって、このような配向が偏向板２５の全面にわたって行われた後に、ＬＣＤ２１に１／３６００秒周期で画像を表示させるようにすればよい。より具体的には、電圧印加走査の周期（＝１／３６００秒）に対するその実所要時間の比として定義される走査デューティ比を例えば５０％以下とし、ＬＣＤ２１の表示周期（＝１／３６００秒）に対するその実表示時間の比として定義される表示デューティ比を同じく５０％以下とすると、１／３６００秒という時間内に、１回分の電圧印加走査とＬＣＤ２１における１枚分の画像の表示とが行われることとなる。また、上記したようにストライプ電極４４，４５に代えてマトリクス電極を用いるようにした場合には、液晶分子４２の配向方向を一旦ランダムに乱した後に、１画素分の領域中の一部の液晶分子４２のみを角度θｉに配向させるようにすることにより、中間階調の表示も実現可能となる。
【００７０】
次に、図１６を参照して、前提技術における表示位置変換処理の原理について説明する。図１６は、図２と同様に、前提技術における３次元画像表示装置の概略の構成を示したものである。この図において、表示位置変換処理を行わない場合に表示される３次元画像を符号２０Ａで表し、この３次元画像２０Ａに対して前後方向に距離ａだけ表示位置を移動する表示位置変換処理を行った場合に表示される３次元画像を符号２０Ｂで表す。このような表示位置変換処理を行うには、偏向板２５より光が角度θｉで出射される２次元画像の位置を、偏向板２５上で、２次元画像情報の面内方向、すなわち水平方向にｂだけ移動すればよい。ただし、ｂは、以下の式（２）で表される値である。
【００７１】
ｂ＝ａ×ｔａｎθｉ …（２）
【００７２】
ここで、ａは、３次元画像を観察者２６に近づける場合に負の値をとり、遠ざかける場合に正の値をとるものとする。また、θｉは、偏向板２５からの出射光が図１６における左側を向く場合に負の値をとり、右側を向く場合に正の値をとるものとする。また、ｂは、偏向板２５上における２次元画像の位置を図１６における右側に移動する場合に正の値をとり、左側に移動する場合に負の値をとるものとする。
【００７３】
従って、３次元画像の表示位置の移動量ａと、偏向板２５からの出射光の角度θｉに応じて、偏向板２５に投影される２次元画像の位置をｂだけずらすことにより、３次元画像の表示位置を移動させることができる。なお、偏向板２５に投影される２次元画像の位置をｂだけずらすには、ＬＣＤ２１上における２次元画像の位置を、ｂに対して一定の比率を掛けた値、すなわちｂに比例した値だけ水平方向にずらせばよい。なお、垂直方向（縦方向）にも視野角を有する立体映像を得る場合には、垂直方向も同様の変換を行う。
【００７４】
図５における表示位置変換回路３３および図１１における表示位置変換回路５３は、上述の原理に基づいて３次元画像の表示位置を変換するために、２次元画像の位置を水平方向にずらす処理を行う。
【００７５】
図１７は、表示位置変換回路３３，５３の構成の一例を示すブロック図である。ここでは、表示位置変換回路３３，５３に入力される画像信号がディジタル信号であるものとする。表示位置変換回路３３，５３は、入力画像信号を、２次元画像単位で記憶するフレームメモリ６１と、このフレームメモリ６１の書き込みアドレスおよび読み出しアドレスを制御する書き込み・読み出しアドレス制御回路６２とを有している。書き込み・読み出しアドレス制御回路６２には、操作部３４，５４から、表示位置の移動量の情報が与えられるようになっている。また、書き込み・読み出しアドレス制御回路６２には、タイミング制御回路３８，５８よりタイミング信号が与えられるようになっている。
【００７６】
この表示位置変換回路３３，５３では、入力画像信号は、書き込み・読み出しアドレス制御回路６２の制御により、フレームメモリ６１に書き込まれた後、読み出されて、後段に出力される。ここで、書き込み・読み出しアドレス制御回路６２は、操作部３４，５４より与えられる表示位置の移動量の情報とタイミング制御回路３８，５８よりタイミング信号とに基づいて、２次元画像の位置のずれ量を求める。表示位置の移動量の情報は、式（２）における移動量ａに対応する値を提供する。タイミング信号は、式（２）における角度θｉの情報を提供する。そして、書き込み・読み出しアドレス制御回路６２は、入力画像信号によって表される２次元画像の位置に対して、出力画像信号によって表される２次元画像の位置が、求めたずれ量だけずれるように、書き込みアドレスと読み出しアドレスとを制御する。
【００７７】
なお、入力画像信号がアナログ信号の場合には、アナログ−ディジタル変換した後に、フレームメモリ６１に記憶させるようにする。
【００７８】
このような表示位置変換処理は、図５に示した３次元画像撮影装置における表示位置変換回路３３で行ってもよいし、図１１に示した３次元画像表示装置における表示位置変換回路５３で行ってもよい。従って、表示位置変換回路３３，５３の一方を省略してもよい。
【００７９】
次に、図１８および図１９を参照して、より効果的な３次元画像の撮影および表示の方法の一例を説明する。図１８は、図１と同様に３次元画像撮影装置の概略の構成を示し、図１９は、図２と同様に３次元画像表示装置の概略の構成を示している。図１８では、撮影対象物としての物体１０の後側に、ミラー７０を配置している。この場合、ミラー７０には、物体１０の後側の面が映し出される。３次元画像撮影装置によって、これら物体１０およびミラー７０を撮影し、得られた２次元画像情報を３次元画像表示装置に与えて３次元画像を表示させると、図１９に示したように、観察者２６から見て、物体１０の３次元画像２０の後側に、ミラー７０の３次元画像７１が表示される。そして、このミラー７０の３次元画像７１には、物体１０の後側の面の像が映し出される。観察する方向によって物体１０の３次元画像２０の見え方が変化するように、観察する方向によって、ミラー７０の３次元画像７１において映し出される物体１０の後側の面の像の見え方も変化する。従って、ミラー７０を設けない場合に比べて、より立体感の増した３次元画像の表示を実現することができる。
【００８０】
更に、表示位置変換処理によって、ミラー７０の３次元画像７１における鏡面の位置が、偏向板２５の表面の位置と一致するように、３次元画像の表示位置の変換を行えば、偏向板２５の表面が鏡面のように見え、より効果的である。
【００８１】
次に、本発明の第１の実施の形態について詳しく説明する。本実施の形態では、３次元画像の撮影時には、画素毎に異なる撮影方向を設定して１枚の２次元画像情報を生成すると共に、各画素毎の撮影方向を順次変化させて、連続的に２次元画像情報を生成する。また、本実施の形態では、３次元画像の表示時には、上述のようにして得られた連続的な２次元画像情報を、各画素毎に、撮影時における撮影方向に対応した方向に投射することによって、３次元画像を形成する。
【００８２】
始めに、図２０ないし図２５を参照して、本実施の形態における画素毎の撮影方向および投射方向を表すフォーマットについて説明する。なお、以下の説明では、水平方向Ｎ画素、垂直方向Ｍ画素の２次元画像を、Ｎ×Ｍ画素の２次元画像と表現する。本実施の形態では、３次元画像撮影装置における２次元画像情報の撮影手段の解像度および３次元画像表示装置における２次元画像情報の投射手段の解像度が６４０×４８０画素であり、すなわち、２次元画像が６４０×４８０画素で構成されるものとする。撮影方向および投射方向は、θ１〜θ60の６０方向とする。なお、図２０ないし図２５において、図中の数字１〜６０は、それぞれ方向θ１〜θ60を表している。また、本実施の形態では、５つの空間フィールドで一つの空間フレームが形成される。一つの空間フレームは、一つの３次元静止画像を形成する。また、１２個の空間フレームによって１秒間の３次元画像が形成される。
【００８３】
また、本実施の形態では、６４０×４８０画素の２次元画像領域を、水平方向１６０個、垂直方向１６０個の小領域に分割する。小領域は、４×３画素で構成される。
【００８４】
図２０は、第１空間フレームＦｍ１を構成する第１空間フィールドＦｄ１ないし第５空間フィールドＦｄ５を示したものである。図中の４×３画素の領域が小領域を表している。各小領域中の各画素毎の方向を走査方向順に見ていくと、第１空間フレームＦｍ１の第１空間フィールドＦｄ１では、各小領域中の各画素毎の方向がθ１〜θ12に設定されている。第２空間フィールドＦｄ２では、各小領域中の各画素毎の方向がθ13〜θ24に設定されている。第３空間フィールドＦｄ３では、各小領域中の各画素毎の方向がθ25〜θ36に設定されている。第４空間フィールドＦｄ４では、各小領域中の各画素毎の方向がθ37〜θ48に設定されている。第５空間フィールドＦｄ５では、各小領域中の各画素毎の方向がθ49〜θ60に設定されている。
【００８５】
図２１は、第２空間フレームＦｍ２を構成する第１空間フィールドＦｄ１ないし第５空間フィールドＦｄ５を示したものである。図中の４×３画素の領域が小領域を表している。各小領域中の各画素毎の方向を走査方向順に見ていくと、第２空間フレームＦｍ２の第１空間フィールドＦｄ１では、各小領域中の各画素毎の方向がθ２〜θ12，θ１に設定されている。第２空間フィールドＦｄ２では、各小領域中の各画素毎の方向がθ14〜θ24，θ13に設定されている。第３空間フィールドＦｄ３では、各小領域中の各画素毎の方向がθ26〜θ36，θ25に設定されている。第４空間フィールドＦｄ４では、各小領域中の各画素毎の方向がθ38〜θ48，θ37に設定されている。第５空間フィールドＦｄ５では、各小領域中の各画素毎の方向がθ50〜θ60，θ49に設定されている。
【００８６】
図２２は、第３空間フレームＦｍ３を構成する第１空間フィールドＦｄ１ないし第５空間フィールドＦｄ５を示したものである。図中の４×３画素の領域が小領域を表している。各小領域中の各画素毎の方向を走査方向順に見ていくと、第３空間フレームＦｍ３の第１空間フィールドＦｄ１では、各小領域中の各画素毎の方向がθ３〜θ12，θ１，θ２に設定されている。第２空間フィールドＦｄ２では、各小領域中の各画素毎の方向がθ15〜θ24，θ13，θ14に設定されている。第３空間フィールドＦｄ３では、各小領域中の各画素毎の方向がθ27〜θ36，θ25，θ26に設定されている。第４空間フィールドＦｄ４では、各小領域中の各画素毎の方向がθ39〜θ48，θ37，θ38に設定されている。第５空間フィールドＦｄ５では、各小領域中の各画素毎の方向がθ51〜θ60，θ49，θ50に設定されている。
【００８７】
以下、同様に、各空間フィールドＦｄ１〜Ｆｄ５において各小領域に割り当てられる方向の組み合わせは同じであるが、空間フレームが一つ進む毎に、各小領域内において、各方向が割り当てられる画素が走査方向に１画素ずつずれる。
【００８８】
図２３は、第１２空間フレームＦｍ１２を構成する第１空間フィールドＦｄ１ないし第５空間フィールドＦｄ５を示したものである。図中の４×３画素の領域が小領域を表している。各小領域中の各画素毎の方向を走査方向順に見ていくと、第１２空間フレームＦｍ３の第１空間フィールドＦｄ１では、各小領域中の各画素毎の方向がθ12，θ１〜θ11に設定されている。第２空間フィールドＦｄ２では、各小領域中の各画素毎の方向がθ24，θ13〜θ23に設定されている。第３空間フィールドＦｄ３では、各小領域中の各画素毎の方向がθ36，θ25〜θ35に設定されている。第４空間フィールドＦｄ４では、各小領域中の各画素毎の方向がθ48，θ37〜θ47に設定されている。第５空間フィールドＦｄ５では、各小領域中の各画素毎の方向がθ60，θ49〜θ59に設定されている。
【００８９】
なお、図２０ないし図２３では、ある方向が割り当てられる画素がどのように変化するかが分かるようにするために、方向θ12，θ24，θ36，θ48，θ60が割り当てられる画素を四角で囲って表している。
【００９０】
図２４および図２５は、一つの小領域中の各画素に割り当てられる方向を表したものである。図２４は、第１空間フレームＦｍ１〜第６空間フレームＦｍ６を表し、図２５は、第７空間フレームＦｍ７〜第１２空間フレームＦｍ１２を表している。
【００９１】
本実施の形態における３次元画像撮影装置の構成は、図５と同様である。本実施の形態では、角度パターン発生回路３７は、上述のフォーマットに従って、各画素毎の方向を表す角度パターンを発生し、偏向板駆動回路３６に供給する。偏向板駆動回路３６は、供給される角度パターンに従って、偏向板１１の各画素毎に、入射光の角度を設定する。図５におけるＣＣＤ駆動回路３１、偏向板駆動回路３６、角度パターン発生回路３７およびタイミング制御回路３８は、本発明における撮影制御手段に対応する。
【００９２】
本実施の形態における３次元画像表示装置の構成は、図１１と同様である。本実施の形態では、角度パターン発生回路５７は、上述のフォーマットに従って、各画素毎の方向を表す角度パターンを発生し、偏向板駆動回路５６に供給する。偏向板駆動回路５６は、供給される角度パターンに従って、偏向板２５の各画素毎に、出射光の角度を設定する。図１１におけるＬＣＤ駆動回路５５、偏向板駆動回路５６、角度パターン発生回路５７およびタイミング制御回路５８は、本発明における表示制御手段に対応する。
【００９３】
２次元画像の表示時における角度パターンは、２次元画像毎に、撮影時における角度パターンと一致していなければならない。これは、映像信号中に含まれる同期信号に基づいて、２次元画像の空間フレームおよび空間フィールドの変化とと角度パターンの変化を同期させることで実現することができる。
【００９４】
以上説明したように、本実施の形態では、５個の空間フィールドからなる一つの空間フレームで３次元静止画像が形成される。一つの空間フィールドでは、１２個の方向について、１６０×１６０画素の解像度の静止画が同時に形成される。そして、５個の空間フィールド、すなわち一つの空間フレームによって、６０個の全方向について、１６０×１６０画素の解像度の静止画が形成される。従って、一つの空間フレームによって、１６０×１６０画素の解像度の３次元画像を表示することができる。更に、１２個の空間フレームによって、６０個の全方向について、６４０×４８０画素の解像度、すなわち最大解像度で、３次元画像を表示することができる。しかも、ある一方向からは、ほぼ完全な、６０フィールド／秒の３次元動画像を観察することが可能である。
【００９５】
本実施の形態では、各空間フィールドによって、６０個の全方向のうちの１２個の方向ずつの画像を形成し、５個の空間フィールド（すなわち、一つの空間フレーム）によって、６０個の全方向の画像を形成するようにしている。また、本実施の形態では、各空間フレームによって、１６０×１６０画素の解像度の３次元画像を形成するが、フレーム毎に、各方向が割り当てられる画素を変えている。これにより、１２個の空間フレームによって、６４０×４８０画素の解像度の３次元画像が形成される。従って、本実施の形態では、３次元画像を表示するために必要な情報を、時間的および空間的なインターレース方式によって構成しているとも言える。
【００９６】
本実施の形態によれば、１秒当たりのフィールド数を少なくしながら、画像更新の周期および解像度の点で観察に耐えられる３次元動画表示が可能となる。
【００９７】
また、本実施の形態によれば、撮影方向を順次変化させながら、一つの撮影手段によって物体を撮影して、撮影方向の異なる複数の２次元画像情報を得るようにしたので、空間に物体の３次元画像を表示するために必要な画像情報を、簡単な構成で、得ることができる。
【００９８】
また、本実施の形態によれば、一つの撮影手段によって物体を連続的に撮影することができるので、物体が動く物であっても、空間に物体の３次元画像を、動くように表示するために必要な画像情報を、簡単な構成で、得ることができる。従って、本実施の形態に係る３次元画像撮影装置および方法によれば、真の意味での立体動画表示を、簡単な構成で実現することが可能となる。
【００９９】
また、本実施の形態によれば、表示位置変換回路３３，５３を付加するだけの簡単な構成と、２次元画像の位置をずらすだけの簡単な処理で、３次元画像の表示位置を変換することができ、３次元画像を空間上の所望の位置に表示させることが可能となる。
【０１００】
なお、本実施の形態では、５個の空間フィールドで一つの空間フレームを形成し、１２個の空間フレーム（６０個の空間フィールド）で１秒間の３次元画像を形成するようにしたが、以下のような種々の変更が可能である。
【０１０１】
例えば、４個の空間フィールドで一つの空間フレームを形成し、１５個の空間フレーム（６０個の空間フィールド）で１秒間の３次元画像を形成するようにしてもよい。この場合には、例えば、小領域を５×３画素とし、一つの空間フィールドにおいて一つの方向に１２８×１６０画素の解像度の２次元静止画を投影することになる。
【０１０２】
また、３個の空間フィールドで一つの空間フレームを形成し、２０個の空間フレーム（６０個の空間フィールド）で１秒間の３次元画像を形成するようにしてもよい。この場合には、例えば、小領域を５×４画素とし、一つの空間フィールドにおいて一つの方向に１２８×１２０画素の解像度の２次元静止画を投影することになる。
【０１０３】
また、２個の空間フィールドで一つの空間フレームを形成し、３０個の空間フレーム（６０個の空間フィールド）で１秒間の３次元画像を形成するようにしてもよい。この場合には、例えば、小領域を５×６画素とし、一つの空間フィールドにおいて一つの方向に１２８×８０画素の解像度の２次元静止画を投影することになる。
【０１０４】
また、一つの空間フィールドで一つの空間フレームを形成し、６０個の空間フレーム（６０個の空間フィールド）で１秒間の３次元画像を形成するようにしてもよい。この場合には、例えば、小領域を１０×６画素とし、一つの空間フィールドにおいて一つの方向に６４×８０画素の解像度の２次元静止画を投影することになる。
【０１０５】
なお、本実施の形態では、１秒当たりの空間フィールド数を６０としたが、これをもっと多くすれば、動きがより円滑な３次元動画表示が可能となる。例えば、１秒当たりの空間フィールド数を１２０とすれば、１秒間に、本実施の形態で説明した６０フィールド分の角度パターンの変化を２回繰り返すことができ、動きをより円滑に表現することが可能となる。
【０１０６】
また、本実施の形態では、２次元画像が６４０×４８０画素で構成されるものとしたが、画素数をもっと多くすれば、より精密な（きめの細かい）３次元画像表示が可能となる。例えば、２次元画像が１０２４×７６８画素で構成される場合を考える。この場合、空間を所定角度毎に６０個に分割すると共に、６０個のフィールドで３次元画像を形成するとすると、例えば、小領域を４×３画素とし、１０２４×７６８画素の画像領域を、２５６×２５６の小領域に分割する。また、例えば、５個の空間フィールドで一つの空間フレームを形成し、１２個の空間フレーム（６０個の空間フィールド）で１秒間の３次元画像を形成する。なお、小領域の大きさを変えてもよいし、空間分解能の向上のためや視野角の向上のために、空間を所定角度毎に分割する分割数を増やしてもよいし、１秒当たりのフィールド数を増やしてもよい。
【０１０７】
２次元画像が１０２４×７６８画素で構成され、１秒当たりのフィールド数が１２０であれば、かなり精密で動きの滑らかな３次元動画表示が可能となる。その実現には、ＣＣＤやＬＣＤに対して、１０２４×７６８画素の画素数が要求されると共に、１２０フィールド／秒のような高レートが要求される。しかし、これは、近年のＣＣＤやＬＣＤの画素数の増加や、ノンインターレース方式対応のＣＣＤの技術等から、十分実現が可能である。
【０１０８】
また、本実施の形態において、表示位置変換処理を実行する場合には、画素毎に撮影方向および投射方向が異なる６０空間フィールド分の２次元画像情報を、６０個の各撮影方向および投射方向毎の２次元画像情報に変換した後、変換後の２次元画像情報に対して表示位置変換処理を行い、その後、画素毎に撮影方向および投射方向が異なる６０空間フィールド分の２次元画像情報に変換するようにすればよい。
【０１０９】
次に、図２６を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、本発明をテレビ会議システムに適用した例である。図２６は、本実施の形態におけるテレビ会議システムの構成を示す説明図である。このテレビ会議システムは、２つの３次元画像撮影表示装置２０１，２０２を備えている。２つの３次元画像撮影表示装置２０１，２０２は、信号を双方向に伝送する信号伝送路２０３を介して接続されている。
【０１１０】
３次元画像撮影表示装置２０１，２０２は、３次元画像撮影装置と３次元画像表示装置とを一体化した装置である。３次元画像撮影表示装置２０１，２０２では、図１に示した３次元画像撮影装置における集光レンズ１２とピンホール部材１３との間に、ハーフミラー２１１が配置されている。このハーフミラー２１１は、その反射面の法線が、３次元画像撮影装置の光学系の光軸に対して４５度をなすように配置されている。そして、集光レンズ１２からの光がハーフミラー２１１で反射して進行する方向に、３次元画像表示装置のピンホール部材２３、集光レンズ２２およびＬＣＤ２１が配置されている。なお、図示しないが、３次元画像撮影表示装置２０１，２０２の回路構成は、３次元画像撮影装置における回路と３次元画像表示装置における回路とを併せ持ったものとなっている。また、３次元画像撮影表示装置２０１，２０２に含まれる３次元画像撮影装置および３次元画像表示装置の構成は、第１の実施の形態と同様である。
【０１１１】
次に、本実施の形態におけるテレビ会議システムの動作について説明する。３次元画像撮影表示装置２０１，２０２では、３次元画像の撮影と表示が同時に行われる。すなわち、偏向板１１では、撮影方向と２次元画像情報の投射方向とが同時に選択される。偏向板１１に入射した光は、集光レンズ１２、ハーフミラー２１１、ピンホール部材１３、集光レンズ１４を経て、ＣＣＤ１５に入射する。ＬＣＤ２１からの光は、集光レンズ２２、ピンホール部材２３、ハーフミラー２１１、集光レンズ１２を経て、偏向板１１によって投射される。
【０１１２】
ここで、例えば、３次元画像撮影表示装置２０１では物体２２０を撮影し、３次元画像撮影表示装置２０２では物体２３０を撮影するものとする。３次元画像撮影表示装置２０１は、ＣＣＤ１５の出力信号を信号処理して、映像信号を生成する。この映像信号は、信号伝送路２０３を介して３次元画像撮影表示装置２０２に伝送される。そして、３次元画像撮影表示装置２０２において、伝送された映像信号に基づいてＬＣＤ２１によって２次元画像情報が形成され、この２次元画像情報が偏向板１１によって選択された方向に投射される。これにより、３次元画像撮影表示装置２０２によって、物体２２０の３次元画像２２１が表示される。
【０１１３】
同様に、３次元画像撮影表示装置２０２は、ＣＣＤ１５の出力信号を信号処理して、映像信号を生成する。この映像信号は、信号伝送路２０３を介して３次元画像撮影表示装置２０１に伝送される。そして、３次元画像撮影表示装置２０１において、伝送された映像信号に基づいてＬＣＤ２１によって２次元画像情報が形成され、この２次元画像情報が偏向板１１によって選択された方向に投射される。これにより、３次元画像撮影表示装置２０１によって、物体２３０の３次元画像２３１が表示される。
【０１１４】
物体２２０，２３０が共に人である場合には、３次元画像撮影表示装置２０１側にいる人は、３次元画像撮影表示装置２０２側にいる人の３次元画像を観察することができ、３次元画像撮影表示装置２０２側にいる人は、３次元画像撮影表示装置２０１側にいる人の３次元画像を観察することができる。
【０１１５】
従って、本実施の形態におけるテレビ会議システムによれば、相手の顔の３次元画像を間近に見ながらテレビ会議を行うことができ、臨場感のあるテレビ会議を行うことができる。また、このシステムによれば、３次元画像の撮影のための光の入射部と３次元画像の表示のための光の出射部が共通化されているので、相手の顔の３次元画像が正面に表示される。従って、相手の眼を見ながら話しをすることができ、より臨場感のあるテレビ会議を行うことができる。
【０１１６】
なお、本実施の形態における３次元画像撮影表示装置を３つ以上の場所に設置し、相互に信号伝送路を介して接続し、各３次元画像撮影表示装置において、他の３次元画像撮影表示装置から送られてくる映像信号を切り替えて表示、あるいは合成して表示することにより、３箇所以上の間でテレビ会議を行うことも可能である。
【０１１７】
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。
【０１１８】
なお、本発明は上記各実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、３次元画像撮影装置において２次元画像を撮影する手段には、ＣＣＤ以外の他の撮像素子を用いてもよい。また、３次元画像表示装置において２次元画像を表示する手段には、ＬＣＤ以外の他の表示素子を用いてもよい。
【０１１９】
また、３次元画像撮影装置における入射光の方向や３次元画像表示装置における出射光の方向を変化させる手段としては、上記各実施の形態で用いた手段に限らず、例えば、回転するプリズムや、回転するミラー等を用いてもよい。
【０１２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の３次元画像撮影装置または３次元画像撮影方法によれば、撮影方向設定手段を制御して、撮影方向設定手段によって設定された全ての撮影方向について、それぞれ、撮影手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報を得ると共に、各撮影方向が割り当てられる画素を変えながら、低解像度の２次元画像情報を得る処理を繰り返し実行して、設定された全ての撮影方向について、それぞれ、撮影手段の解像度と同じ解像度の２次元画像情報を得るようにしたので、画像更新の周期および解像度の点で観察に耐えられる３次元動画表示が可能となり、真の意味での立体動画表示を簡単な構成で実現できるという効果を奏する。
【０１２１】
また、本発明の３次元画像表示装置または３次元画像表示方法によれば、投射方向設定手段を制御して、投射方向設定手段によって設定された全ての投射方向について、それぞれ、投射手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報を投射して、低解像度の３次元画像を表示すると共に、各投射方向が割り当てられる画素を変えながら、低解像度の２次元画像情報を投射する処理を繰り返し実行して、投射手段の解像度と同じ解像度の３次元画像を表示するようにしたので、画像更新の周期および解像度の点で観察に耐えられる３次元動画表示が可能となり、真の意味での立体動画表示を簡単な構成で実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の前提技術における３次元画像撮影装置の概略の構成を示す説明図である。
【図２】本発明の実施の形態の前提技術における３次元画像表示装置の概略の構成を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態の前提技術における３次元画像撮影装置と３次元画像表示装置の位置関係を説明するための説明図である。
【図４】本発明の実施の形態の前提技術における３次元画像撮影装置と３次元画像表示装置の位置関係を説明するための説明図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における３次元画像撮影装置の構成を示すブロック図である。
【図６】図５における偏向板が選択する入射光の角度とＣＣＤが取り込む画像との対応関係を示す説明図である。
【図７】図５における偏向板に用いる液晶素子の構成を示す説明図である。
【図８】図５における偏向板の構成を示す説明図である。
【図９】図８に示した偏向板の動作を説明するための説明図である。
【図１０】図８に示した偏向板の動作を説明するための説明図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態における３次元画像表示装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】図１１におけるＬＣＤが形成する２次元画像と偏向板の出射光の角度との対応関係を示す説明図である。
【図１３】図１２における集光レンズ、偏向板および拡散板を示す斜視図である。
【図１４】図１１における偏向板の動作を説明するための説明図である。
【図１５】図１１における偏向板の動作を説明するための説明図である。
【図１６】本発明の実施の形態の前提技術における表示位置変換処理の原理について説明するための説明図である。
【図１７】図５および図１１における表示位置変換回路の構成の一例を示すブロック図である。
【図１８】本発明の実施の形態の前提技術における３次元画像の撮影の方法の一例を示す説明図である。
【図１９】本発明の実施の形態の前提技術における３次元画像の表示の方法の一例を示す説明図である。
【図２０】本発明の第１の実施の形態における画素毎の撮影方向および投射方向を表すフォーマットを示す説明図である。
【図２１】本発明の第１の実施の形態における画素毎の撮影方向および投射方向を表すフォーマットを示す説明図である。
【図２２】本発明の第１の実施の形態における画素毎の撮影方向および投射方向を表すフォーマットを示す説明図である。
【図２３】本発明の第１の実施の形態における画素毎の撮影方向および投射方向を表すフォーマットを示す説明図である。
【図２４】本発明の第１の実施の形態における画素毎の撮影方向および投射方向を表すフォーマットを示す説明図である。
【図２５】本発明の第１の実施の形態における画素毎の撮影方向および投射方向を表すフォーマットを示す説明図である。
【図２６】本発明の第２の実施の形態におけるテレビ会議システムの構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１１…偏向板、１２…集光レンズ、１３…ピンホール部材、１４…集光レンズ、１５…ＣＣＤ、２１…ＬＣＤ、２２…集光レンズ、２３…ピンホール部材、２４…集光レンズ、２５…偏向板、３１…ＣＣＤ駆動回路、３３…表示位置変換回路、３６…偏向板駆動回路、３７…角度パターン発生回路、３８…タイミング制御回路、５３…表示位置変換回路、５５…ＬＣＤ駆動回路、５６…偏向板駆動回路、５７…角度パターン発生回路、５８…タイミング制御回路。
Claims (14)
- 空間に物体の３次元画像を表示するために必要な画像情報を得るための３次元画像撮影装置であって、
物体を撮影して、物体の２次元画像情報を生成する撮影手段と、
前記撮影手段に対して、２次元画像情報の画素毎に異なる撮影方向を設定可能な撮影方向設定手段と、
前記撮影方向設定手段を制御して、前記撮影方向設定手段によって設定された全ての撮影方向について、それぞれ、前記撮影手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報を得ると共に、各撮影方向が割り当てられる画素を変えながら、前記低解像度の２次元画像情報を生成する処理を繰り返し実行して、前記設定された全ての撮影方向について、それぞれ、前記撮影手段の解像度と同じ解像度の２次元画像情報を得る撮影制御手段とを備えたことを特徴とする３次元画像撮影装置。 - 前記撮影制御手段は、２次元画像の領域を、それぞれＡ画素（Ａは２以上の整数）からなる複数の小領域に分割し、前記設定された全ての撮影方向を、それぞれ、前記小領域内の一つの画素に対して設定して、解像度が前記撮影手段の解像度のＡ分の１となる低解像度の２次元画像情報を得ると共に、各撮影方向が割り当てられる画素を前記小領域内で変えながら、前記低解像度の２次元画像情報を生成する処理をＡ回繰り返し実行して、前記撮影手段の解像度と同じ解像度の２次元画像情報を得ることを特徴とする請求項１記載の３次元画像撮影装置。
- 前記撮影制御手段は、前記設定された全ての撮影方向を、それぞれＡ個ずつの撮影方向に分割し、Ａ個の撮影方向についての低解像度の２次元画像情報を得る処理を繰り返し実行することによって、前記設定された全ての撮影方向について、低解像度の２次元画像情報を得ることを特徴とする請求項２記載の３次元画像撮影装置。
- 前記撮影方向設定手段は、前記物体と前記撮影手段との間に配置され、入射する光の方向を選択して光を偏向させる偏向手段を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の３次元画像撮影装置。
- 物体を撮影して、物体の２次元画像情報を生成する撮影手段と、前記撮影手段に対して、２次元画像情報の画素毎に異なる撮影方向を設定可能な撮影方向設定手段とを用いて、空間に物体の３次元画像を表示するために必要な画像情報を得るための３次元画像撮影方法であって、
前記撮影方向設定手段を制御して、前記撮影方向設定手段によって設定された全ての撮影方向について、それぞれ、前記撮影手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報を得る第１の手順と、
各撮影方向が割り当てられる画素を変えながら、前記第１の手順を繰り返し実行して、前記設定された全ての撮影方向について、それぞれ、前記撮影手段の解像度と同じ解像度の２次元画像情報を得る第２の手順とを含むことを特徴とする３次元画像撮影方法。 - 前記第１の手順は、２次元画像の領域を、それぞれＡ画素（Ａは２以上の整数）からなる複数の小領域に分割し、前記設定された全ての撮影方向を、それぞれ、前記小領域内の一つの画素に対して設定して、解像度が前記撮影手段の解像度のＡ分の１となる低解像度の２次元画像情報を得て、前記第２の手順は、各撮影方向が割り当てられる画素を前記小領域内で変えながら、前記第１の手順をＡ回繰り返し実行して、前記撮影手段の解像度と同じ解像度の２次元画像情報を得ることを特徴とする請求項５記載の３次元画像撮影方法。
- 前記第１の手順は、前記設定された全ての撮影方向を、それぞれＡ個ずつの撮影方向に分割し、Ａ個の撮影方向についての低解像度の２次元画像情報を得る処理を繰り返し実行することによって、前記設定された全ての撮影方向について、低解像度の２次元画像情報を得ることを特徴とする請求項６記載の３次元画像撮影方法。
- 同一物体に対する観察方向の異なる複数の２次元画像情報を、それぞれ観察方向に対応した方向に投射することにより、空間に物体の３次元画像を表示する３次元画像表示装置であって、
物体の２次元画像情報を投射する投射手段と、
前記投射手段に対して、２次元画像情報の画素毎に異なる投射方向を設定可能な投射方向設定手段と、
前記投射方向設定手段を制御して、前記投射方向設定手段によって設定された全ての投射方向について、それぞれ、前記投射手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報を投射して、低解像度の３次元画像を表示すると共に、各投射方向が割り当てられる画素を変えながら、前記低解像度の２次元画像情報を投射する処理を繰り返し実行して、前記投射手段の解像度と同じ解像度の３次元画像を表示する表示制御手段とを備えたことを特徴とする３次元画像表示装置。 - 前記表示制御手段は、２次元画像の領域を、それぞれＡ画素（Ａは２以上の整数）からなる複数の小領域に分割し、前記設定された全ての投射方向を、それぞれ、前記小領域内の一つの画素に対して設定して、解像度が前記投射手段の解像度のＡ分の１となる低解像度の２次元画像情報を投射して、低解像度の３次元画像を表示すると共に、各投射方向が割り当てられる画素を前記小領域内で変えながら、前記低解像度の２次元画像情報を投射する処理をＡ回繰り返し実行して、前記投射手段の解像度と同じ解像度の３次元画像を表示することを特徴とする請求項８記載の３次元画像表示装置。
- 前記表示制御手段は、前記設定された全ての投射方向を、それぞれＡ個ずつの投射方向に分割し、Ａ個の投射方向について低解像度の２次元画像情報を投射する処理を繰り返し実行することによって、前記設定された全ての投射方向について、低解像度の２次元画像情報を投射することを特徴とする請求項９記載の３次元画像表示装置。
- 前記投射方向設定手段は、出射する光の方向を選択して光を偏向させる偏向手段を有することを特徴とする請求項８ないし１０のいずれかに記載の３次元画像表示装置。
- 物体の２次元画像情報を投射する投射手段と、前記投射手段に対して、２次元画像情報の画素毎に異なる投射方向を設定可能な投射方向設定手段とを用いて、同一物体に対する観察方向の異なる複数の２次元画像情報を、それぞれ観察方向に対応した方向に投射することにより、空間に物体の３次元画像を表示する３次元画像表示方法であって、
前記投射方向設定手段を制御して、前記投射方向設定手段によって設定された全ての投射方向について、それぞれ、前記投射手段の解像度よりも低解像度の２次元画像情報を投射して、低解像度の３次元画像を表示する第１の手順と、各投射方向が割り当てられる画素を変えながら、前記第１の手順を繰り返し実行して、前記投射手段の解像度と同じ解像度の３次元画像を表示する第２の手順とを含むことを特徴とする３次元画像表示方法。 - 前記第１の手順は、２次元画像の領域を、それぞれＡ画素（Ａは２以上の整数）からなる複数の小領域に分割し、前記設定された全ての投射方向を、それぞれ、前記小領域内の一つの画素に対して設定して、解像度が前記投射手段の解像度のＡ分の１となる低解像度の２次元画像情報を投射して、低解像度の３次元画像を表示し、前記第２の手順は、各投射方向が割り当てられる画素を前記小領域内で変えながら、前記低解像度の２次元画像情報を投射する処理をＡ回繰り返し実行して、前記投射手段の解像度と同じ解像度の３次元画像を表示することを特徴とする請求項１２記載の３次元画像表示方法。
- 前記第１の手順は、前記設定された全ての投射方向を、それぞれＡ個ずつの投射方向に分割し、Ａ個の投射方向について低解像度の２次元画像情報を投射する処理を繰り返し実行することによって、前記設定された全ての投射方向について、低解像度の２次元画像情報を投射することを特徴とする請求項１３記載の３次元画像表示方法。
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